Чем отличается статическая балансировка от динамической. Отличие статической и динамической балансировки деталей, их назначение. Технология балансировки якорей. Зачем нужна балансировка колес

Одной из причин снижения ресурса работы двигателя является вибрации возникающие в результате дисбаланса его вращающихся деталей, а именно коленвала, маховика, корзины сцепления и т.д. Ни для кого не секрет чем грозят эти вибрации. Это и повышенный износ деталей, и крайне некомфортная эксплуатация мотора, и худшая динамика, и повышенный расход топлива, и проч., и проч. Все эти страсти уже не раз обсуждались и в печати и на просторах сети – не будем повторяться. Поговорим лучше об оборудовании для балансировки, но сначала давайте коротко разберем, что же такое этот дисбаланс, и каких видов он бывает, а потом рассмотрим как с ним бороться.

Для начала, давайте определимся, зачем вообще вводить понятие дисбаланса, ведь причиной вибраций являются силы инерции, возникающие при вращении и неравномерном поступательном движении деталей. Может быть лучше оперировать величинами этих сил? Перевел их в килограммы «для ясности» и вроде бы понятно куда, что и с каким усилием давит, сколько кило приходится на какую опору… Но дело-то в том, что величина силы инерции зависит от частоты вращения, точнее от квадрата частоты или ускорения при поступательном движении, а это в отличие от массы и радиуса вращения, величины переменные. Таким образом использовать силу инерции при балансировке просто неудобно, придется каждый раз пересчитывать эти самые килограммы в зависимости от квадрата частоты. Судите сами, для вращательного движения сила инерции:

m – неуравновешенная масса;
r – радиус ее вращения;
w – угловая скорость вращения в рад/с;
n – частота вращения в об/мин.

Не высшая математика, конечно, но пересчитывать лишний раз не хочется. Вот поэтому и ввели понятие дисбаланса, как произведения неуравновешенной массы на расстояние до нее от оси вращения:

D – дисбаланс в г мм;
m – неуравновешенная масса в граммах;
r – расстояние от оси вращения до этой массы в мм.

Измеряют эту величину в единицах массы умноженных на единицу длины, а именно в г мм (часто в г см). Я специально акцентирую внимание на единицах измерения, поскольку на просторах мировой сети, да и в печати, в многочисленных статьях посвященных балансировке, чего только не встретишь… Тут и граммы деленные на сантиметры, и определение дисбаланса в граммах (не умноженных ни на что, просто граммы и всё, что хочешь, то и думай), и аналогии с единицами измерения крутящего момента (похоже вроде – кг м, а тут г мм…, но физический смысл-то совершенно другой…). В общем, будем внимательны!

Итак, первый вид дисбаланса – статический или, еще говорят, статическая неуравновешенность. Такой дисбаланс возникнет, если на вал точно напротив его центра масс поместить какой-нибудь груз, и это будет равноценно параллельному смещению главной центральной оси инерции 1 относительно оси вращения вала. Нетрудно догадаться, что такая неуравновешенность характерна дискообразным роторам2, маховикам например, или шлифовальным кругам. Устранить этот дисбаланс можно на специальных приспособлениях – ножах или призмах. Тяжелая сторона3 под действием силы тяжести будет поворачивать ротор. Заметив это место, можно простым подбором на противоположную сторону установить такой груз, который приведет систему к равновесию. Однако процесс этот довольно длительный и кропотливый, поэтому устранять статический дисбаланс все-таки лучше на балансировочных станках – и быстрее и точнее, но об этом ниже.

Второй тип дисбаланса – моментный. Такую неуравновешенность можно вызвать, прилепив на края ротора пару одинаковых грузов под углом 180° друг к другу. Таким образом, центр масс хоть и останется на оси вращения, но главная центральная ось инерции отклонится на некоторый угол. Чем примечателен такой вид дисбаланса? Ведь на первый взгляд, в «природе» его можно встретить разве что по «счастливой» случайности… Коварство такой неуравновешенности заключается в том, что она проявляется только при вращении вала. Положите ротор с моментным дисбалансом на ножи, и он будет находиться в полном покое, сколько бы раз его не перекладывали. Однако стоит раскрутить его, так тут же появится сильнейшая вибрация. Устранить подобную неуравновешенность можно только на балансировочном станке.

И наконец, самый общий случай – динамическая неуравновешенность. Такой дисбаланс характеризуется смещением главной центральной оси инерции как по углу так и по месту относительно оси вращения ротора. То есть, центр масс смещается относительно оси вращения вала, а вместе с ним и главная центральная ось инерции. При этом она еще и отклоняется на некоторый угол так, что не пересекает ось вращения4. Именно такой вид дисбаланса встречается чаще всего, и именно его так привычно устраняют нам в шиномонтажах при смене резины. Но если в шиномонтаж мы все как один едем по весне и осени, то почему же оставляем без внимания детали двигателя?

Простой вопрос: после шлифовки коленвала в ремонтный размер или, того хуже, после его рихтовки, можно быть уверенным в том, что главная центральная ось инерции в точности совпадает с геометрической осью вращения коленвала? А второй раз разбирать-собирать мотор время и желание есть?

Итак, в том, что балансировать валы, маховики и проч. нужно, сомнений нет. Следующий вопрос – как балансировать?

Как уже упоминалось при статической балансировке можно обойтись ножами-призмами, если есть достаточное количество времени, терпения, и поля допусков на остаточный дисбаланс велики. Если Вы цените рабочее время, заботитесь о репутации своей компании или просто беспокоитесь о ресурсе деталей своего мотора, то единственный вариант балансировки – это специализированный станок.

И такой станок есть – машина для динамической балансировки модели «Liberator» производства фирмы «Hines» (США), прошу любить и жаловать!

Этот доресонансный станок предназначен для определения и устранения дисбаланса коленчатых валов, маховиков, корзин сцепления и проч.

Весь процесс устранения дисбаланса можно условно поделить на три части: подготовка станка к работе, измерение дисбаланса и устранение дисбаланса.

На первом этапе необходимо установить вал на неподвижные опоры станка, присоединить к торцу вала датчик, который будет отслеживать положение и частоту вращения вала, накинуть приводной ремень, с помощью которого вал будет раскручиваться в процессе балансировки и ввести в компьютер размеры вала, координаты положения и радиусы поверхностей коррекции, выбрать единицы измерения дисбаланса и проч. Кстати, в следующий раз, заново, все это вводить не придется, поскольку есть возможность сохранить в памяти компьютера все введенные данные, ровно, как и есть возможность их в любой момент стереть, изменить, перезаписать, или изменить на время без сохранения. Короче говоря, поскольку компьютер станка работает под операционной системой Windows XP, то и все приемы работы с ним будут вполне привычными для обычного пользователя. Впрочем, и для неискушенного в компьютерных делах механика не будет чем-то уж очень сложным освоить несколько экранных меню программы балансировки, тем более, что сама программа очень наглядна и интуитивно понятна.

Сам процесс измерения дисбаланса происходит без участия оператора. Ему остается только нажать нужную кнопку и дождаться, когда вал начнет вращаться, а потом сам остановится. После этого на экране будет выведено все необходимое для устранения дисбаланса, а именно: величины и углы дисбалансов для обеих плоскостей коррекции, а также глубины и количество сверлений, которые необходимо сделать, чтобы этот дисбаланс устранить. Глубины отверстий выводятся, разумеется, исходя из введенного ранее диаметра сверла и материала вала. Кстати, эти данные выводятся для двух плоскостей коррекции, если была выбрана динамическая балансировка. При статической балансировке, естественно, будет выведено всё то же самое, только для одной плоскости.

Теперь остается только просверлить предложенные отверстия, не снимая вал с опор. Для этого позади расположен сверлильный станок, который может перемещаться на воздушной подушке вдоль всей станины. Глубину сверлений в зависимости от комплектации можно контролировать либо по цифровому индикатору перемещения шпинделя, либо по графическому отображению выводимому на монитор компьютера. Этот же станок можно использовать при сверлении или фрезеровании, например, шатунов при развесовке. Для этого нужно просто развернуть суппорт на 180°, чтобы он оказался над специальным столом. Стол этот может перемещаться в двух направлениях (стол поставляется как дополнительное оборудование).

Здесь остается только добавить, что при расчете глубины сверления компьютер учитывает даже конус заточки сверла.

После устранения дисбаланса нужно снова повторить измерения, чтобы удостовериться, что остаточный дисбаланс в пределах допустимых значений.

Кстати, об остаточном дисбалансе или, как иногда говорят, допуске на балансировку. Практически каждый производитель моторов в инструкциях по ремонту деталей должен давать величины остаточного дисбаланса. Однако если эти данные не удалось найти, то можно воспользоваться общими рекомендациями. И отечественный ГОСТ и общемировой стандарт ISO предлагает, в общем-то, одно и то же.

Сначала нужно определиться к какому классу относится ваш ротор, а потом по таблице приведенной ниже узнать для него класс точности балансировки. Предположим, что мы балансируем коленчатый вал. Из таблицы следует, что «узел коленчатого вала двигателя с шестью и более цилиндрами со специальными требованиями» имеет 5 класс точности по ГОСТ 22061-76. Предположим, что наш вал имеет ну совсем специальные требования – усложним задачу и отнесем его к четвертому классу точности.

Далее, приняв максимальную частоту вращения нашего вала равной 6000 об/мин, по графику определяем, что величина eст. (удельный дисбаланс) находится в пределах заключенных между двумя прямыми, определяющими поле допуска для четвертого класса, и равна от 4 до 10 мкм.

Теперь по формуле:

D ст.доп. – допустимый остаточный дисбаланс;
e ст. – табличное значение удельного дисбаланса;
m ротора – масса ротора;

стараясь не путаться в единицах измерения и приняв массу вала равной 10 кг, получим, что допустимый остаточный дисбаланс нашего коленчатого вала не должен превышать 40 – 100 г мм. Но это относится ко всему валу, а станок нам показывает дисбаланс в двух плоскостях. Значит, на каждой опоре, при условии, что центр масс вала находится точно посередине между корректирующими плоскостями, допустимый остаточный дисбаланс на каждой опоре не должен превышать 20 – 50 г мм.

Просто для сравнения: допустимый дисбаланс коленвала двигателя Д-240/243/245 при массе вала в 38 кг, по требованиям производителя не должен превышать 30 г см. Помните, я обращал внимание на единицы измерения? Этот дисбаланс указан в г см, а значит он равен 300 г мм, что в разы больше рассчитанного нами. Однако ничего удивительного – вал тяжелее того, что мы взяли для примера, да и вращается с меньшей частотой… Просчитайте в обратную сторону и увидите, что класс точности балансировки тот же, что и в нашем примере.

Здесь же следует отметить, что строго говоря, допустимый дисбаланс рассчитывается по формуле:

D ст.т. – значение главного вектора технологических дисбалансов изделия, возникающих в результате сборки ротора, из-за монтажа деталей (шкивов, полумуфт, подшипников, вентиляторов и т.д.), которые имеют собственные дисбалансы, вследствие отклонения формы и расположения поверхностей и посадочных мест, радиальных зазоров и т.д.;
D ст.э. – значение главного вектора эксплуатационных дисбалансов изделия, возникающих из-за неравномерности износа, релаксации, выжигания, кавитации деталей ротора и т.п. за заданный технический ресурс или до ремонта, предусматривающего балансировку.

Звучит жутковато, но как показала практика в большинстве случаев, если выбирать значение удельного дисбаланса по нижней границе класса точности (при этом удельный дисбаланс в 2.5 раза меньше удельного дисбаланса, определенного для верхней границы класса), то главный вектор допустимого дисбаланса можно вычислять по формуле приведенной выше, по которой мы собственно и считали. Таким образом, в нашем примере все-таки лучше принять допустимый остаточный дисбаланс равным 20 г мм для каждой плоскости коррекции.

Тем более что предложенный станок, в отличие от древних отечественных аналоговых станков, чудом сохранившихся после всем известных печальных событий в нашей стране, такую точность запросто обеспечит.

Ну, хорошо, а что с маховиком и корзиной сцепления? Обычно, после того как отбалансировали коленвал, к нему присоединяют маховик, переводят станок в режим статической балансировки и устраняют дисбаланс только маховика, считая коленвал идеально сбалансированным. В этом методе есть один большой плюс: если маховик и корзину сцепления после балансировки не отсоединять от вала и не менять эти детали никогда, то сбалансированный таким образом узел будет иметь неуравновешенность меньшую, чем если бы балансировалась каждая деталь по отдельности. Если же хочется все-таки уравновесить маховик отдельно от вала, то для этого в комплектации станка существуют специальные, практически идеально уравновешенные, валы для балансировки маховиков.

У обоих методов, разумеется, есть свои плюсы и минусы. В первом случае, при замене любой из деталей участвующих ранее в балансировке в сборе, неизбежно появится дисбаланс. Но и с другой стороны, если уравновешивать все детали по отдельности, то и допуск на остаточный дисбаланс каждой детали придется серьезно ужесточить, что приведет к большим затратам времени на балансировку.

Несмотря на то, что все описанные выше операции по измерению и устранению дисбаланса на данном станке реализованы очень удобно, позволяют сэкономить массу времени, страхуют от возможных ошибок, связанных с пресловутым «человеческим фактором» и проч., справедливости ради нужно заметить, что худо-бедно, но и многие другие станки смогут сделать то же самое. Тем более что рассмотренный пример ничего особенно сложного не представлял.

А если придется балансировать вал, скажем, от V8? Задача тоже, в общем-то, не самая сложная, но все-таки это не четверку рядную уравновешивать. Такой вал ведь просто так на станок не поставишь, на шатунные шейки нужно специальные балансировочные грузы вешать.А их масса зависит, во-первых, от массы поршневой группы, то есть массы деталей движущихся исключительно поступательно, во-вторых, от развесовки шатунов, то есть от того какая масса шатуна относится к вращающимся деталям, а какая к поступательно движущимся, ну и наконец, в-третьих, от массы деталей только вращающихся. Можно, конечно, последовательно взвесить все детали, записать данные на листок бумаги, посчитать разницу между массами, потом перепутать какая запись относится к какому поршню или шатуну, и проделать все это еще несколько раз.

А можно воспользоваться системой автоматизированного взвешивания «Compu-Match» предлагаемой в качестве опции. Суть системы проста: электронные весы связаны с компьютером станка, и при последовательном взвешивании деталей таблица данных заполняется автоматически (кстати, ее можно еще и распечатать). Также автоматически находится самая легкая деталь в группе, например, самый легкий поршень, и для каждой детали автоматически определяется масса, которую требуется удалить, чтобы выровнять веса. Никакой путаницы не возникнет и с определением массы верхней и нижней головок шатунов (кстати, все необходимое для развесовки поставляется в комплекте с весами). Компьютер направляет действия оператора, которому просто остается внимательно выполнять инструкции шаг за шагом. После чего компьютер рассчитает массу балансировочных грузов исходя из массы конкретной поршневой и развесовки шатунов. Остается только добавить, что при расчете масс этих грузов учитывается даже масса моторного масла, которое будет находиться в магистралях вала во время работы двигателя. Кстати, разные комплекты грузов можно заказать отдельно. Грузы, разумеется, наборные, то есть на шпильку навешиваются шайбы разной массы и фиксируются гайками.

И еще несколько слов о взвешивании поршневой и развесовке шатунов. В самом начале этой статьи мы заметили, что «одной из причин возникновения вибраций двигателя является дисбаланс его вращающихся деталей…», «одной из…», но далеко не единственной! Конечно многие из них мы «побороть» никак не сможем. Например, неравномерность крутящего момента. Но кое-что все-таки сделать можно. В качестве примера возьмем обычный рядный четырехцилиндровый двигатель. Из курса динамики ДВС всем известно, что силы инерции первого порядка такого мотора полностью уравновешены. Замечательно! Но в расчетах принимается, что массы всех деталей по цилиндрам абсолютно одинаковы и шатуны развесованы безукоризненно. А на самом деле, во время кап. ремонта, кто-нибудь взвешивает поршни, кольца, пальцы, выравнивает массы нижних и верхних головок шатунов? Едва ли…

Конечно, разница в массах деталей вряд ли вызовет большие вибрации, но если есть возможность, хоть немного приблизиться к расчетной схеме, почему бы это не сделать? Особенно если это так просто…

В качестве опции можно заказать комплект приспособлений и оснастки для балансировки карданных валов... Однако постойте, это ведь уже совсем другая история…

* Ось OX называется главной центральной осью инерции тела, если она проходит через центр масс тела и центробежные моменты инерции J xy и J xz одновременно равны нулю. Непонятно? Ничего сложного на самом деле тут нет. Попросту говоря, главная центральная ось инерции это та ось, вокруг которой вся масса тела распределена равномерно. Что значит равномерно? Это значит, что если мысленно выделить какую-нибудь массу вала и помножить ее на расстояние до оси вращения, то точно напротив найдется, может быть, другая масса на другом расстоянии, но имеющая точно такое же произведение, то есть выделенная нами масса будет уравновешена.

Ну что такое центр масс, думаю, ясно и так.

** Роторами в балансировке называют все, что вращается, независимо от формы и размеров.

*** Тяжелой стороной или тяжелым местом ротора обычно называют то место, где расположена неуравновешенная масса.

**** Если главная центральная ось инерции все-таки пересекает ось вращения ротора, то такую неуравновешенность называют квазистатической. Рассматривать ее в контексте статьи нет смысла.

***** Среди прочих классификаций балансировочных станков есть разделение на дорезонансные и зарезонансные. То есть частоты, на которых балансируется вал, могут быть либо ниже резонансной частоты, либо выше резонансной частоты ротора. У вибраций, возникающих во время вращения неуравновешенной детали, есть одна интересная особенность: амплитуда вибраций возрастает очень медленно по мере увеличения частоты вращения. И только вблизи резонансной частоты ротора наблюдается резкое ее увеличение (чем, собственно, и опасен резонанс). На частотах выше резонансной, амплитуда вновь снижается и практически не меняется в очень широком диапазоне. Поэтому, например, на дорезонансных станках нет особого смысла пытаться увеличить частоту вращения вала при балансировке, поскольку амплитуда колебаний, которую фиксируют датчики, будет возрастать крайне незначительно, несмотря на увеличение центробежной силы, порождающей вибрацию.

****** Некоторые станки имеют качающиеся опоры.

******* Поверхность коррекции – то место вала, в котором предполагается сверлить отверстия для устранения дисбаланса.

******** Обратите внимание, удельный дисбаланс указан в микронах. Это не ошибка, здесь речь идет об удельном дисбалансе, то есть отнесенном к единице массы. К тому же индекс «ст.» говорит о том, что это статический дисбаланс, а он может указываться в единицах длины, как расстояние, на которое смещена главная центральная ось инерции вала относительно оси его вращения, см. выше определение статического дисбаланса.

Отремонтированный агрегат считается уравновешенным, если при его работе равнодействующая всех сил, действующих на опоры агрегата, остается постоянной по величине и направлению.

Динамические нагрузки на опоры работающего агрегата обусловлены силами инерции деталей, которые движутся поступательно или вращаются. Агрегат будет уравновешенным в том случае, если он собран из одноименных деталей, движущихся поступательно, одинаковой массы и вращающихся деталей, прошедших балансировку.

Движущиеся детали изменяют свою массу или становятся при эксплуатации неуравновешенными в результате накопления загрязнений на их поверхностях, неравномерного изнашивания и деформирования. Это приводит к дополнительным нагрузкам в кинематических парах и накоплению усталостных повреждений в шейках валов, что в свою очередь снижает долговечность агрегатов.

Детали балансируют во время их восстановления (коленчатые валы, маховики и др.), а сборочные единицы (сцепления, коленчатые валы в сборе с маховиками и сцеплениями и др.) - после узловой сборки.

Балансировка - это уравновешивание сил инерции частей вращающегося изделия совмещением его центра масс, осей инерции и вращения путем снятия лишнего металла или установки противовесов.

При балансировке вращающихся изделий добиваются, чтобы нагрузки на их опоры от сил инерции были равны нулю. Вращающееся изделие полностью уравновешено при условиях

где М - масса изделия, г; r s - расстояние от центра масс изделия до его оси вращения, см; J { - центробежный момент инерции изделия, г-см 2 ; m jy г - и l j - масса (г) элемента изделия, расстояние (см) от центра его масс до оси вращения изделия и плечо (см) действия силы инерции элемента относительно оси, проходящей через центр масс изделия, соответственно; i = = 1... к - число элементов изделия.

Считают, что изделие уравновешено статически, если выполняется первое условие, и уравновешено динамически, если выполняется второе условие. В реальных условиях различают статическую, динамическую и смешанную неуравновешенность вращающихся деталей или сборочных единиц.

Статическая неуравновешенность (рис. 2.57, а) наблюдается у деталей типа дисков с малой длиной (маховиков, нажимных и ведомых дисков сцеплений, чугунных шкивов и др.), у которых возможна неуравновешенная сила инерции. Мерой статической неуравновешенности служит дисбаланс, направление которого совпадает с неуравновешенной силой инерции, а значение равно произведению Mr s (г-см). Способы статической балансировки состоят в совмещении центра масс детали с осью ее вращения путем снятия излишнего металла или установки противовеса. При этом определяют направление дисбаланса, затем на этом направлении на

Рис. 2.57. а - статическая; б - динамическая; в - смешанная

поверхности изделия снимают излишний металл по одну сторону с неуравновешенной массой от оси вращения или добавляют металл, если неуравновешенная масса находится по другую сторону от оси вращения детали. Массу т (г) снимаемого (добавляемого) металла определяют по формуле

где R - расстояние от оси вращения до центра массы снимаемого (добавляемого) металла, см.

Поверхность, с которой снимают металл или закрепляют противовес, должна быть наибольшего радиуса, поскольку в этом случае масса снимаемого (добавляемого) материала минимальная.

Балансировку ведут на роликах, горизонтальных призмах, качающихся дисках и на станках.

Устройства для статической балансировки деталей на роликах и горизонтальных призмах приведены на рис. 2.58, а, б. Деталь 1 устанавливают без зазора на оправку 2, которую в свою очередь устанавливают на ролики или призмы. Неуравновешенная деталь под действием силы тяжести провернется вокруг своей оси, при этом ее «тяжелая» часть окажется внизу. Балансировка на призмах дает более точные результаты, однако в этом случае требуется, чтобы их рабочие поверхности располагались горизонтально. Эти устройства показывают только направления дисбаланса, определение его значения затруднено и требует практического навыка.

Рис. 2.58. а - на роликах: 1 - деталь; 2 - оправка; 3 - ролики; б- на призмах: 1 - деталь; 2 - оправка; 3 - призмы; в - на качающемся диске: 1 - стрелка; 2 - деталь; 3 - острие; 4 - опора

Устройство для статической балансировки деталей на качающемся диске (рис. 2.58, в) лишено приведенного недостатка. Его статически отбалансированный диск имеет опоры (цилиндрическую поверхность и плоскость) для балансируемой детали. Соосно цилиндрической поверхности установлено острие 3, которое соприкасается с ответным коническим углублением опоры 4. Две стрелки 1 диска расположены во взаимно перпендикулярных направлениях. Деталь устанавливают на диск и ориентируют центрирующим пояском. Если диск с деталью под действием силы тяжести наклонились, то их приводят в горизонтальное положение путем перемещения по поверхности детали компенсирующего груза. Место нахождения груза и его масса показывают направление и величину дисбаланса.

Статическую балансировку изделий (маховиков, нажимных и ведомых дисков сцеплений, сцеплений в сборе и др.) в динамическом режиме (при их принудительном вращении) выполняют на станке модели 9765. Этот вид балансировки более точный, чем ранее рассмотренные.

Динамическая б) у статически уравновешенного изделия (центр масс находится на оси вращения) возникает в том случае, если имеются две неуравновешенные массы т, которые расположены по разные стороны от оси вращения на расстоянии г. Во время вращения изделия возникает момент S от двух равных сил инерции Р на плече /. Момент S вызывает переменные по направлению нагрузки на опоры изделия при его вращении. Динамическую неуравновешенность устраняют снятием или добавлением двух равных масс в плоскости действия момента S, чтобы появился новый момент, уравновешивающий начальный. Этот вид неуравновешенности выявляют при принудительном вращении изделия. Динамическая неуравновешенность измеряется в ньютон-квадратный метр (Н м 2).

Смешанная неуравновешенность (см. рис. 2.57, в) наиболее часто встречается в реальных условиях, когда имеются неуравновешенные сила инерции и момент от двух равных сил инерции. Этот вид неуравновешенности характерен для длинных деталей или сборочных единиц типа валов (Н м).

Система любого числа неуравновешенных сил инерции сводится к двум силам, которые расположены в двух произвольно выбранных перпендикулярно оси детали плоскостях, удобных для уравновешивания. Такие плоскости называют плоскостями коррекции. Например, у коленчатого вала эти плоскости проходят через крайние противовесы.

Пусть имеется ряд сил, в том числе Р 1 и Р 2 от неуравновешенных масс и т 2 - Заменим центробежные силы Р х и Р 2 их составляющими Р и Р" и Р" 2 и Р 2 в плоскостях коррекции, расположенных друг от друга на расстоянии /. Сложим эти составляющие в каждой плоскости по правилу параллелограмма и получим равнодействующие и Т 2 . В точке приложения силы Т { приложим две равные между собой, но противоположно направленные силы Т 2 . В результате получаем две неуравновешенные силы Т 2 и Q в плоскостях коррекции. Сила Q является векторной суммой сил Т { и Т 2 . Момент Т 2 1 определяет динамическую неуравновешенность, а сила Q - статическую. Полное уравновешивание изделия достигается установкой противовесов т ъ и т 4 в плоскостях коррекции на линиях действия сил Т 2 и Ту

Направление (угол) и значение дисбаланса в каждой плоскости коррекции вала определяют на балансировочных станках моделей, например, БМ-4У, КИ-4274, МС-9716 или фирмы Schenk (Германия). На станках балансируют сборочные единицы (коленчатые валы с маховиками, карданные валы и др.), вращающиеся при работе агрегата в двух и более опорах.

Принцип действия балансировочного станка (рис. 2.59) заключается в следующем. Изделие устанавливают на упругие опоры (люльки) 1 и приводят во вращение с частотой 720... 1100 мин -1 от электродвигателя 6. Под действием центробежных сил инерции опоры с изделием будут колебаться вдоль горизонтальной оси. С перемещающимися опорами заодно движутся и обмотки датчиков перемещений 2, находящиеся

Рис. 2.59.

1 - опоры (люльки); 2 - датчик перемещений; 3 - блок усиления; 4 - миллиамперметр; 5 - лампа стробоскопа; 6 - электродвигатель; 7 - лимб стробоскопа; 8 - маховик

в магнитном поле постоянных магнитов. В каждой обмотке наводится ЭДС, значение которой пропорционально амплитуде колебаний. Сигнал от датчика поступает в блок усиления 3 и в измененном виде фиксируется миллиамперметром 4, шкала которого составлена в единицах дисбаланса (г см). Сигнал об угле поворота шпинделя, при котором опора переместилась на максимальное расстояние, поступает на малоинерционную лампу 5 стробоскопа, вспышка которой освещает небольшой участок обода вращающегося лимба 7 с угловыми делениями от 0 до 360°. Рабочий воспринимает лимб остановленным с неподвижными цифрами. Значение и направление дисбаланса изделия поочередно определяют на каждой из двух опор станка.

После каждого определения направления и значения дисбаланса останавливают станок. При отключенном электродвигателе люльки запираются электромагнитами. Затем вращением изделия рукой за маховик 8 устанавливают его в нужное угловое положение. С помощью радиально-сверлильного станка или электрической дрели высверливают лишний металл необходимой массы в плоскости коррекции. Длина сверления пропорциональна показаниям миллиамперметра.

Балансировка деталей

К атегория:

Слесарно-механосборочные работы

Балансировка деталей

Неуравновешенность деталей выражается в том, что деталь, например шкив, посаженный на вал, шейки которого свободно вращаются в подшипниках, стремится после вращения остановиться в одном определенном положении. Это указывает на то, что в нижней части шкива сосредоточено большее количество металла, чем в его верхней части, т. е. центр тяжести шкива не совпадает с осью вращения.

Ниже рассмотрен неуравновешенный диск, посаженный на вал, который вращается в подшипниках. Пусть его неуравновешенность относительно оси вращения выражается массой груза Р (темный кружок). Неуравновешенность диска заставляет его останавливаться всегда так, чтобы груз Р занимал самое низкое положение. Если к диску на противоположной стороне и на том же расстоянии от оси, что и темный кру-Жок, прикрепим груз такой же массы (заштрихованный кРУжок), то это уравновесит диск. В этом случае говорят, что Диск уравновешен относительно оси вращения.

Рис. 1. Схемы определения неуравновешенности деталей: а - короткой, 6 - длинной, в - балансировка шкива на призмах, г - машина для динамической балансировки

Рассмотрим деталь, у которой длина больше диаметра. Если ее уравновесить только относительно оси вращения, то возникает сила, которая стремится повернуть продольную ось детали против часовой стрелки и тем самым дополнительно нагружает подшипники. Чтобы избежать этого, уравновешивающий груз располагают на расстоянии от силы.

Сила, с которой действует неуравновешенная вращающаяся масса, зависит от величины этой неуравновешенной массы, расстояния ее от оси, от квадрата числа оборотов ее. Следовательно, чем выше скорость вращения детали, тем сильнее оказывается ее неуравновешенность.

При значительных скоростях вращения неуравновешенные детали вызывают вибрацию детали и машины в целом, в результате чего подшипники быстро изнашиваются, а в некоторых случаях машина может разрушиться. Поэтому детали машин, вращающиеся с большой скоростью, должны быть тщательно отбалансированы.

Существует два вида балансировки: статическая и динамическая.

Статическая балансировка может уравновешивать деталь относительно ее оси вращения, но не может устранить действие сил, стремящихся повернуть продольную ось изделия. Статическую балансировку производят на ножах или призмах, роликах. Ножи, призмы и ролики должны быть калеными и шлифованными и перед балансировкой выверены на горизонтальность.

Операцию балансировки выполняют следующим образом. На ободе шкива предварительно наносят мелом черту. Вращение шкива повторяют 3 - 4 раза. Если меловая черта будет останавливаться в разных положениях, то это будет указывать на то, что шкив отбалансирован правильно. Если меловая черта каждый раз будет останавливаться в одном положении, то это значит, что часть шкива, находящаяся внизу, тяжелее противоположной. Чтобы устранить это, уменьшают массу тяжелой части высверливанием отверстий или увеличивают массу противоположной части обода шкива, высверлив отверстия, а затем залив их свинцом.

Динамическая балансировка устраняет оба вида неуравновешенности. Динамической балансировке подвергают быстроходные детали со значительным отношением длины к диаметру (роторы турбин, генераторов, электродвигателей, быстровращающиеся шпиндели станков, коленчатые валы автомобильных и авиационных двигателей и т. д.).

Динамическую балансировку производят на специальных станках высококвалифицированные рабочие. При динамической балансировке определяют величину и положение массы, которые нужно приложить к детали или отнять от нее, чтобы деталь оказалась уравновешенной статически и динамически.

Центробежные силы и моменты инерции, вызванные вращением неуравновешенной детали, создают колебательные движения из-за упругой податливости опор. Причем колебания их пропорциональны величине неуравновешенных центробежных сил, действующих на опоры. На этом принципе основана балансировка деталей и сборочных единиц машин.

Динамическая балансировка выполняется на электрических автоматизированных балансировочных станках. Они в интервале 1-2 мин выдают данные: глубину и диаметр сверления, массу грузов, размеры контргрузов и места, где необходимо закрепить и снять грузы. Кроме того, выполняется регистрация колебаний опор, на которых вращается уравновешенная сборочная единица, с точностью до 1 мм.

Маховики, шкивы и различные летали, вращающиеся g большими окружными скоростями, должны быть уравновешенными (отбалансированными), иначе машины, в которые входят эти детали, будут работать с вибрациями. Это отрицательно сказывается на работе механизмов оборудования и машины в целом.

Неуравновешенность деталей возникает из-за неоднородности материала, из которого они изготовляются; отклонений в размерах, допущенных при их изготовлении и ремонте; различных деформаций, полученных в результате термообработки; от различной массы крепежных деталей и т.д. Устранение неуравновешенности (дисбаланса) осуществляется балансировкой, которая является ответственной технологической операцией.

Существуют два способа балансировки: статическая и динамическая. Статическая балансировка - это уравновешивание деталей в неподвижном состоянии на специальных приспособлениях - ножевых направляющих, роликах и др.

Динамическая балансировка, предельно уменьшающая вибрации, производится при быстром вращении детали на специальных станках.

Статической балансировке подвергают ряд деталей (шкивы, кольца, гребные винты и др.) На рис. 1, а изображен диск, центр тяжести которого находится на расстоянии е от геометрического центра О. При вращении образуется неуравновешенная центробежная сила Q.

Опорные заостренные, чисто обработанные и закаленные поверхности ножей выверяют линейкой и уровнем на горизонтальность с точностью 0,05-0,1 мм на длине 1000 мм.

Уравновешиваемую деталь надевают на оправку, концы которой должны быть одинакового, притом возможно меньшего диаметра. Это существенное условие повышения чувствительности балансировки без ущерба для жесткости установки оправки с деталью на ножах. Балансировка состоит в следующем: деталь с оправкой слегка подталкивают и дают ей возможность свободно остановиться, ее более тяжелая часть после остановки всегда займет нижнее положение.

Балансируют деталь одним из двух способов: или облегчают ее тяжелую часть высверливанием или вырубанием из нее лишнего металла, либо утяжеляют диаметрально противоположную часть.

Рис. 1. Схемы балансировки деталей:
а - статическая, б - динамическая

На рис. 1, б дана схема динамической неуравновешенности детали: центр тяжести может находиться далеко от ее середины, в точке А. Тогда при вращении на повышенной скорости масса дисбаланса будет создавать момент, опрокидывающий деталь, образуя вибрации и повышенные нагрузки на подшипнике. Для уравновешивания нужно установить добавочный груз в точке А’ (или высверлить массу дисбаланса в точке А). При этом масса дисбаланса и добавочного груза образуют пару центробежных сил, параллельных, но противоположно направленных - Q и - Q, с плечом L, при котором опрокидывающий момент ликвидируется (уравновешивается).

Динамическую балансировку выполняют на специальных станках. Деталь устанавливают на упругие опоры и присоединяют к приводу. Частоту вращения доводят до такого значения, чтобы система вошла в резонанс, что позволяет заметить область колебаний. Для определения уравновешенной силы закрепляют на детали грузы, подбираемые так, чтобы образовалась противоположная сила и, следовательно, противоположно направленный момент.

Для уравновешивания любой вращающейся детали необходимо, чтобы ее центр тяжести лежал на оси вращения, а центробежные моменты инерции были равны нулю. Несовпадение центра тяжести детали с осью вращения принято называть статической неурав­новешенностью, а неравенство нулю центробежных моментов инерции - динамической неуравновешенностью.

4.1 Статическая балансировка деталей

Статическая неуравновешенность легко обнаруживается при ус­тановке детали опорными шейками на параллели или ролики. Обычно статической балансировке подвергаются детали, у которых диаметральные размеры намного превышают длину по оси враще­ния (маховики, диски, шкивы, рабочие колеса и т.п.), так как в этом случае динамической составляющей можно пренебречь.

При статической балансировке установкой пробных грузиков определяют места и величину дисбаланса. Неуравновешенность устраняют удалением эквивалентного количества материала с де­тали или установкой корректирующих грузов. Излишний материал у массивных деталей (маховики) удаляют сверлением или фрезеро­ванием, а у тонкостенных (шкивы, диски, роторы) - эксцентриче­ским точением или шлифованием.

После устранения дисбаланса производят повторную (контроль­ную) балансировку. При превышении остаточного дисбаланса до­пустимой по техническим требованиям величины балансировку повторяют

4.2 Динамическая балансировка деталей

Динамической балансировке подвергают работающие при высоких скоростях вращающиеся детали или узлы в сборе, у кото­рых длина по оси вращения превышает диаметральные размеры (например, бильные барабаны зерноуборочных комбайнов или ко­ ленчатые валы двигателей).

Даже в статически уравновешенной детали может быть неравномерное распределение массы по длине относительно оси, что при значительной частоте вращения создает момент центробежных сил на плече L (см. рисунок 1) и, следовательно, дополнительные на­грузки на опоры и вибрацию.

Неуравновешенность выявляют на специальных балансировоч­ных машинах при вращении детали на рабочих скоростях и устра­няют, как и при статической балансировке, только в двух или более плоскостях коррекции, выбираемых в зависимости от конструкции детали.

Динамическая балансировка исключает необходимость выпол­нения балансировки статической.

Для выполнения динамической балансировки необходимы ус­тановки, обеспечивающие вращение детали, контроль действую­щих при этом на опоры центробежных сил неуравновешенных масс или моментов этих сил, а также выявление плоскости расположе­ния неуравновешенных масс.

Рисунок 1 Приведение действующих на ротор ротор, к двум плоскостям коррекции сил

Этим обстоятельством как раз и пользуются при динамиче­ской балансировке деталей. Для балансировки выбирают на детали две плоскости, перпендикулярные к оси вращения и удобные для установки уравновешивающих грузов или удаления части материа­ла детали - так называемые плоскости коррекции. Станок на­страивают так, чтобы можно было определить место и величину грузов, которые следует добавить (или удалить) в каждой из плос­костей для полного уравновешивания детали.

Динамическую неуравновешенность выявляют на баланси­ровочных машинах. В ремонтном производстве наибольшее рас­пространение получили электрические балансировочные машины с упругими опорами (см. рисунок 2).

Неуравновешенные массы детали вызывают механические колебания подвижных опор (1). С помощью датчиков (2) эти меха­нические колебания преобразуются в электрические. Причем на­пряжение электрического тока в датчике прямо пропорционально величине механического колебания опоры, т.е. неуравновешенно­сти. В измерительном устройстве (3) ток усиливается и прочитыва­ется на миллиамперметре (4) в виде показаний дисбаланса.

Рисунок 2 Схема машины для динамической балансировки коленчатых валов:

1 - подвижные опоры (люльки); 2 - датчик колебаний; 3 ­блок усиления и измерения; 4 - миллиамперметр; 5 - лампа стробо­скопа; 6 - электродвигатель; 7 - лимб стробоскопа; 8 - лимб отсчета угла поворота вала.

Угловое расположение неуравновешенных масс определяет­ся стробоскопическим устройством. Стробоскопическая лампа управляется напряжением датчика колебаний, причем каждый раз, когда вектор неуравновешенных масс проходит горизонтальную плоскость с лицевой стороны станка, лампа (5) вспыхивает и от­свечивает определенную цифру на лимбе стробоскопа (8). Из-за стробоскопического эффекта цифры на лимбе кажутся неподвиж­ными.

Статической балансировкой называют совмещение центра тяжести детали с её геометрической осью вращения. Это достигают снятием металла с тяжёлой части детали, или добавлением его путём наплавки на её лёгкую часть.
Статической балансировке подвергают маховики, крылатки насосов, зубчатые колёса и шестерни зубчатых передач дизельных установок и т.д.
Вращение деталей с неуравновешенной массой приводит к появлению центробежной силы или пары сил, которые и вызывают вибрацию механизма при его работе. Центробежная сила возникает при условии, что центр тяжести детали не совпадает с её осью вращения.
Схема действия центробежной силы при смещении центра тяжести:

Неуравновешенная центробежная сила создаёт на подшипниках дополнительные нагрузки, величина которых может быть определена по формулам:

где Р1,Р2 — дополнительные нагрузки на подшипниках;
а, в — расстояние от плоскости действия силы С соответственно до левого и правого подшипников, мм;
l — расстояние между осями подшипников, мм.
Величину центробежной силы можно определить через массу детали и величину смещения центра тяжести детали относительно оси её вращения по формуле:

где G — масса детали, кг;
q — ускорение силы тяжести (9,81 м/с2);
w — угловая скорость (w = п на n / 30, где n — частота вращения, мин - 1);
r — расстояние от центра тяжести до оси вращения детали, м.
Например, центр тяжести «0» вращающегося диска массой 30 кг с частотой вращения 3000 мин - 1 смещён от центра оси на величину r = 1 мм. Тогда неуравновешенную центробежную силу получаем:

то есть нагрузка на ось в 10 раз превышает массу самой детали. Из этого следует, что даже незначительное смещение центра тяжести может вызвать большие дополнительные нагрузки на подшипники.
Статическую балансировку производят на специальных стендах. Основными деталями стенда являются ножи (призмы), валики или подшипники качения, на которых устанавливают балансируемую деталь на оправке. Ножи, валики или подшипники размещают в одной горизонтальной плоскости.
Статическую балансировку деталей, работающих при частоте вращения до 1000 мин - 1, производят в один этап, а деталей, работающих при большей частоте вращения, — в два этапа.
На первом этапе деталь уравновешивают до безразличного её состояния, то есть такого состояния, при котором деталь останавливается в любом положении. Это достигают путём определения положения тяжелой точки, а затем с противоположной стороны подбирают и крепят уравновешивающий груз. В качестве уравновешивающего груза используют кусок пластилина, замазки, мастики и т.д.
После уравновешивания детали на её лёгкой стороне взамен временного груза крепят постоянный груз, или с тяжёлой стороны снимают соответствующее количество металла, схема установки временного и постоянного грузов представлена на рисунке:
Схема установки временного (Р1) и постоянного (Р2) грузов:

Б — тяжёлая точка.
Иногда место установки уравновешивающего временного груза меняют, что сопровождается изменением радиуса его установки и, как следствие, изменением его массы. Величину массы постоянного уравновешивающего груза определяют из уравновешивания моментов:

где Р1 — масса временного груза;
Р2 — масса постоянного груза;
R, r — радиусы установки соответственно временного и постоянного грузов.
Для деталей с частотой вращения до 1000 мин - 1 балансировку на этом заканчивают.
Второй этап балансировки заключается в устранении остаточной неуравновешенности (дисбаланса), оставшейся за счёт инерции детали и наличия трения между оправкой и опорами. Для этого поверхность торца детали делят на шесть-восемь равных частей, нумеруя их.
Диаграмма статической балансировки детали:

а — разметка окружности торца детали и места установки грузов; б — развёртка окружности и кривая балансировки.
Затем деталь с временным грузом устанавливают так, чтобы точка 1 оказалась в горизонтальной плоскости. В этой точке крепят груз, увеличивая его массу до тех пор, пока деталь не выйдет из состояния равновесия (покоя) и не начнёт медленно вращаться. Груз снимают и взвешивают на весах.
В такой же последовательности выполняют работу и для остальных точек детали. Полученные значения массы грузов заносят в таблицу:
Значения массы грузов в точках их установки на детали (r ):


По данным таблицы строят кривую, которая при точном выполнении балансировки должна иметь форму синусоиды. На этой кривой находят точки максимума (А макс) и минимума (А мин).
Точке максимума кривой соответствует легкое место детали, а точке минимума — тяжёлое место детали.
Массу уравновешивающего груза (дисбаланса) определяют по формуле:

Статическая балансировка считается удовлетворительной, если:

где К — масса дисбаланса детали, г;
R — радиус установки временного груза, мм;
G — масса балансируемой детали, кг;
l ст — предельно допустимое смещение центра тяжести детали от оси её вращения, мкм.
Предельно допустимое смещение центра тяжести детали находят по диаграмме предельно допустимых смещений центра тяжести у деталей при статической балансировке.
Диаграмма предельно допустимых смещений центра тяжести деталей при статической балансировке:

1 — для колёс зубчатых редукторов, дисков гидромуфт, гребных винтов с турбоприводом; 2 — гребные винты дизельных установок, маховики, крылатки центробежных насосов и вентиляторов.
Если соблюдается условие уравнения, то процесс балансировки на этом заканчивается и груз дисбаланса на деталь не устанавливают. Если условие уравнения не соблюдается, то полученную массу грузика «К» устанавливают в точке А макс (радиус 2) или снимают в точке А мин (радиус 6).
Качество балансировки деталей проверяют при работе дизеля по его вибрации.