Рисунок 16. Схемы установок для статической балансировке деталей.
Рисунок 17. Устройство для крепления шлифовального круга с уравновешующими грузиками.
Инерционные силы неуравновешенных вращающихся деталей дают дополнительную нагрузку на опоры, часто являются источником вибрации и способствуют расшатыванию машины и
фундамента. Поэтому уравновешивание быстро вращающихся масс в современных машинах является обязательным.
Неуравновешенность, получающаяся за счет конструктивных особенностей детали, может быть устранена добавлением уравновешивающих масс (противовесов), величины и расположение
которых определяются расчетом или графическим построением. При этом уравновешенные части детали, симметричные относительно оси вращения, не учитываются.
Неуравновешенность, получающаяся при изготовлении детали вследствие неточностей в размерах, отклонений от правильной формы и неоднородности материала (пустоты в литье и т. п.), может быть уменьшена до допустимых пределов лишь путем статической или динамической балансировки детали на специальных установках.
Уравновешивание в одной плоскости, перпендикулярной к оси вращения, достаточно для узких деталей с приблизительно симметричным относительно этой плоскости распределением массы.
При расчете обычно задается радиус расположения r0 центра тяжести уравновешивающей массы m0. Величина ее определяется по формуле
где m и r — величина и радиус расположения центра тяжести уравновешиваемой массы.
Центры тяжести масс m и m0 должны лежать на противоположных концах прямой, проходящей через ось вращения и перпендикулярной к ней.
Для статической балансировки деталь насаживается на специальную оправку или сопряженный с ней вал и устанавливается на легко вращающиеся ролики (фиг. 16, а) или выверенные по точному уровню горизонтальные стержни (фиг. 16,6).
Снятием металла с утяжеленной стороны детали (обычно высверливанием), реже добавлением с облегченной стороны (обычно напаиванием) добиваются безразличного равновесия оправки с деталью, что служит признаком статической уравновешенности последней. Для облегчения процесса балансировки часто наклеивают на деталь грузик (из воска), по весу которого определяют количество подлежащего снятию металла.
Иногда роликовую балансировочную установку снабжают сверлильным приспособлением, позволяющим удалять излишний металл без снятия детали с установки.
Для балансировки сменных деталей 1 (фиг. 17) (шлифовальные круги и т. п.) предусматриваются переставные грузики 2, заложенные в круговой паз фланца.
Дисбаланс детали количественно оценивается смещением r ее центра тяжести от оси вращения.
Действие дисбаланса при заданном числе n об/мин удобно оценивать отношением возникающей силы инерции Pu к весу детали G:
где r – в см. Необходимость балансировки в каждом конкретном случае устанавливается путем сравнения наибольшего смещения, получаемого при изготовлении детали, с допустимым смещением
при принятом соотношении
Рисунок 18. Графическое определение уравновешивающих масс.
Уравновешивание в двух плоскостях требуется для деталей значительной длины. Графическое построение для определения уравновешивающих масс показано на фиг. 18.
Силы инерции нескольких сосредоточенных масс (m1, m2, m3) (фиг. 18, а) могут быть уравновешены двумя массами m’0 и m”0, расположенными в двух произвольно выбранных плоскостях исправления S и S”. Величины и угловые положения уравновешивающих масс находятся следующим образом.
В плоскости S’ строим векторы m1r1, m2r2, m3r3 пропорциональные центробежным силам заданных масс. Замыкающая многоугольника из этих векторов дает вектор mr, пропорциональный уравновешивающей силе (фиг. 18, б).
Далее, в плоскости S’ строим векторы m1r1 x z1, m2r2 x z2, m3r3 x z3, пропорциональные моментам соответствующих центробежных сил. Замыкающая многоугольника из этих векторов
дает вектор m0r0 x z0, пропорциональный уравновешивающему моменту (фиг. 18, в).
Как известно, момент изображается вектором, перпендикулярным к плоскости, содержащей вектор силы и центр момента, и направленным так, что если смотреть со стороны стрелки вектора, момент будет казаться действующим в направлении движения часовой стрелки.
Делением модуля вектора m0r0 x z0 на модуль вектора z0 найдем модуль вектора m0r0, пропорциональный уравновешивающей силе в плоскости исправления S”, а вторичным делением на выбранное r”0 определим величину уравновешивающей массы
Угловое положение уравновешивающей массы устанавливается, в соответствии с приведенным выше правилом векторного изображения моментов.
Уравновешивающая масса в плоскости S’ определяется геометрическим сложением m0r0 и последующим делением модуля этой суммы ∑ mr на выбранный радиус r’0 ( рисунок 18а):
Динамическая балансировка производится на специальных машинах, позволяющих определять величину и угловое положение уравновешивающих грузов в двух выбранных плоскостях исправления, а на некоторых машинах также устранять дисбаланс изделия, например путем высверливания лишнего материала специально предусмотренным для этой цели сверлильным шпинделем.
Во всех балансировочных машинах используются колебания, передаваемые на опоры быстро вращающегося несбалансированного изделия. По амплитуде и фазе возникающих колебаний определяют соответственно величину и угловое положение уравновешивающих грузов. Необходимые измерения выполняются механическими, оптическими или, особенно часто, электрическими способами. Различают балансировочные машины с качающейся рамой и с подвижными опорами.
В машине с качающейся рамой изделие устанавливается в опорах, помешенных на раме, которая удерживается в среднем положении пружинами. Сначала ось качания рамы устанавливают
в первой плоскости исправления. Тогда величина и направление дисбаланса во второй плоскости
исправления определятся амплитудой колебаний рамы и угловым положением изделия в момент
наибольшего отклонения рамы от среднего положения. После этого ось качания рамы устанавливают во второй плоскости исправления и таким же образом определяют дисбаланс в первой плоскости.
Рисунок 19. Схема балансировочной машины с качающейся рамой.
В машине по рисунку 19 рама 2, на которой устанавливается изделие 1, укреплена на четырех
упругих стержнях 3, допускающих колебания в горизонтальной плоскости. Для удобства изменения оси качания рамы предусмотрены две переставные попеременно включаемые опоры 4. Измерение искомых величин производится электрическим способом при помощи индуктивного датчика 5 генераторного типа. Датчик состоит из механически связанной с колеблющейся рамой катушки, помещенной в поле сильного постоянного магнита.
Измеряя генерируемый в катушке ток соответственно тарированным прибором, определяют необходимую величину уравновешивающего груза при заданном плече его расположения. Угловое расположение уравновешивающего груза в машине по рисунку 19 определяется при помощи механического выпрямителя. Выпрямитель состоит из синхронно вращающегося с изделием кулачка 6 и поворотного кольца 7 с контактным устройством 8.
Через выпрямитель пропускается переменный ток от того же датчика. Частота тока равна числу
оборотов изделия, фаза зависит от углового положения дисбаланса.
Выпрямитель осуществляет переключение направления тока на противоположное в течение одного полупериода. При повороте кольца показания контрольного миллиамперметра
постоянного тока будут изменяться от максимума, когда переключения производятся в моменты перехода тока датчика через нуль (рисунок 19, б), до нуля при переключениях в моменты экстремальных значений тока (рисунок 19, в). Угол поворота кольца, отсчитанный по соответствующей шкале, при нулевом показании миллиамперметра определит угловое положение уравновешивающего груза.
Рисунок 20. Схема балансировочной машины с подвижными опорами.
В машинах с подвижными опорами (рисунок 20) изделие 1, приводимое в движение ремнем 2, имеет возможность горизонтального плоско-параллельного движения и колеблется относительно вертикальной геометрической оси, положение которой зависит от распределения дисбаланса и характеристики опор 3. Обе опоры связаны с индутивными датчиками 4 генераторного типа.
Эталонная деталь с дисбалансом только в первой плоскости исправления будет колебаться около
оси, положение которой не зависит от величины дисбаланса. Датчики будут генерировать переменные токи равных частот и со сдвигом фаз в 180°.
Выравнивая амплитуды напряжений при помощи потенциометра 5, добиваются их взаимного гашения, что контролируется нулевым показанием милливольтметра. После замены эталонной детали балансируемым изделием показания милливольтметра будут зависеть только от величины дисбаланса во второй плоскости исправления. Уравновешивающий груз на заданном плече определяется по тарированному для данных изделий милливольтметру.
Угловое положение уравновешивающего груза в машине по рисунку 20 определяется стробоскопическим методом. Безинерционная газосветная лампа 6 включается в электрическую схему машины таким образом, что за каждый оборот изделия она зажигается (приблизительно на 10 -7 сек.) при переходе напряжения датчика через нуль. На вращающемся изделии укрепляется шкала 7, на станине — указатель 8. Освещенное такой лампой изделие кажется неподвижным. По делению шкалы, находящемуся против указателя, определяют угловое положение уравновешивающего груза во второй плоскости исправления.
Дисбаланс в первой плоскости исправления определяется аналогичным образом.
На крупных машинах для определения углового положения груза используется вспомогательный генератор. Генератор приводится во вращение с тем же числом оборотов в минуту, что и изделие.
Переменный ток генератора имеет частоту, равную частоте тока датчика. Фаза тока генератора
может изменяться поворотом его статора. В качестве контрольного прибора используется ваттметр, катушки которого питаются электроэнергией от датчика и генератора. Показания ваттметра пропорциональны косинусу угла сдвига фаз. Поэтому, изменяя фазу тока генератора путем поворота статора, можно получить нулевое показание прибора. Угол поворота статора, отсчитанный по шкале, определит угловое положение уравновешивающего груза.
Электрические схемы балансировочных машин обычно имеют ламповые усилители, иногда частотные фильтры, устраняющие влияние посторонних вибраций на показания приборов.
Современные машины для динамического балансирования определяют смещения центра тяжести изделий средних размеров относительно оси вращения до 0,001 мм.
Замена динамической балансировки статической для длинных деталей не достигает цели и может даже увеличить динамическую несбалансированность.
