Система балансировки роторов, измерения неуравновешенностей

• определение параметров вращающихся изделий, необходимых для их балансировки

В процессе проектирования машин и механизмов разработчики стремятся к весовой симметрии всех движущихся частей для исключения возникновения вредных вибраций. Однако на практике редко удается создать идеально сбалансированную деталь, кроме того, в процессе эксплуатации происходит износ детали, и, как следствие ее разбалансировка. Уравновешивание тел вращения производится путем изменения их массы или геометрии. Этот процесс называется балансировкой.

Система определения параметров неуравновешенностей предназначена для выполнения измерений, необходимых при балансировке изделий, например шкивов, зубчатых колес, роторов электродвигателей, маховиков, барабанов, коленчатых валов и т.п. Основными функциональными узлами системы являются датчик оборотов (например, ВС 401), акселерометр (например, ВС 110 или ВС 111) и анализатор спектра (например, ZET 017-U2). Определение параметров неуравновешенностей осуществляется программами из состава виртуальной лаборатории ZETLAB. Измерения в автоматическом режиме с созданием отчета об испытания проводятся с помощью программы Балансировка ротора электрической машины (реализована в среде графического программирования ZETVIEW).

Проведение измерений осциллографом (см. доп. инфо) с последующим расчетом параметров дисбаланса вполне подойдет для разовых измерений, например, при изучении теории балансировки. Однако при проведении балансировки изделий в производственных масштабах измерения должны проводиться быстро и с минимальным участием оператора. Для автоматизации измерений использовалась среда графического программирования ZETView, в которой была создана программаБалансировка ротора электрической машины. Использование программы не требует фильтрации сигналов или другой дополнительной обработки.

На рисунке ниже приведено окно программы определения параметров неуравновешенностей Балансировка ротора электрической машины. В данной программе обрабатываются сигналы с датчика оборотов и акселерометра и рассчитываются следующие параметры:

• частота вращения, об/мин;
• величина неуравновешенности, г*см;
• угол расположения неуравновешенности относительно светоотражающей метки.

 
Программа определения параметров неуравновешенностей (дисбаланса)

Угол средней неуравновешенности, отображаемый в окне программы как "Угол дисбаланса", отсчитывается в градусах от середины светоотражающей метки в сторону, противоположную стороне вращения балансируемого изделия.

Величина дисбаланса может определяться в стандартных единицах г·мм или в г·см в зависимости от принятых на предприятии обозначений.

Результаты измерений заносятся в отчет.

Система позволяет измерять параметры неуравновешенностей в автоматическом режиме. В данном примере рассмотрена простейшая задача определения годности изделия: если величина дисбаланса находится в пределах допуска, изделие считается прошедшим проверку. При превышении уровня дисбаланса заданного значения изделие бракуется (в случае нестабильного дисбаланса) или отправляется на балансировку. Программа может быть адаптирована под стандарты предприятия и конкретную задачу.

При измерении параметров неуравновешенностей (дисбаланса) важное значение имеет расположение датчиков. Относительное расположение датчика оборотов и акселерометра учитывается при определении направления дисбаланса, поэтому необходимо жестко фиксировать между собой акселерометр, неподвижный корпус балансируемого изделия и датчик оборотов. Для этого целесообразно использовать общую платформу для корпуса и крепление датчика оборотов. Общую платформу необходимо расположить горизонтально, при этом плоскость вращающегося диска балансируемого изделия должна быть вертикальна (см. рисунок ниже).

 
Схема расположения элементов системы измерения параметров неуравновешенностей: 1 - акселерометр, 2 - вращающийся диск балансируемого устройства, 3 - неподвижный корпус балансируемого устройства, 4 - общая платформа, 5 - светоотражающая метка, 6 - датчик оборотов, 7 - держатель датчика оборотов; красная стрелка показывает направление вращения диска (по часовой стрелке)

Установка акселерометра

Оптимальным местом расположения акселерометра является верхняя точка плоскости балансировки на неподвижном корпусе балансируемого изделия. Фиксацию акселерометра рекомендуется проводить в соответствии с требованиями ГОСТ ИСО 5348-2002 "Вибрация и удар. Механическое крепление акселерометров". Возможна установка акселерометра с помощью шпильки с резьбой М5, входящей в комплект акселерометра, или на тонкий слой клея. Если корпус нельзя подвергать сверлению и использование клея невозможно, а корпус выполнен из магнитного материала, то акселерометры следует устанавливать на корпусе с помощью магнитного крепежа АМ50. В противном случае акселерометры фиксировать на корпусе с помощью мастики, изготовленной на основе пчелиного воска, например, с помощью мастики AW01.

Поверхность, на которую устанавливается акселерометр, должна быть гладкой и чистой. Расхождение между осью акселерометра и вертикалью должно быть сведено к минимуму. При использовании магнитного крепежа не рекомендуется ставить акселерометр на корпус сверху, т.к. при этом акселерометр фиксируется с ударом, сопровождающимся хорошо слышимым щелчком, что может привести к выходу из строя преобразовательного элемента акселерометра. В этом случае акселерометр рекомендуется устанавливать, совершая горизонтальное движение, как бы вдвигая его сбоку на место установки.

Установка датчика оборотов

Датчик оборотов устанавливается таким образом, чтобы торцевая плоскость датчика со световыми элементами (см. рисунок ниже) была параллельна плоскости диска со светоотражающей меткой, а линия, проходящая через световые элементы, была вертикальна. Расстояние между световыми элементами датчика и вращающимся диском должно быть не менее 2 мм, но не более 15 мм.

На внешнем вращающемся диске балансируемого устройства устанавливается светоотражающая метка. Схема расположения метки на диске представлена на рисунке ниже. Коэффициент отражения метки в рабочем диапазоне частот используемого датчика оборотов должен отличаться, не менее чем на порядок, от коэффициента отражения самого диска. Так для темного диска метка может быть изготовлена из белой самоклеящейся бумаги. Для светлого диска бумага для метки должна быть чёрной.

Схематическое изображение диска балансируемого устройства (красный) со светоотражающей меткой (белая). Точка "О" - центр диска. На метке: пунктирная окружность - проекция торца датчика оборотов на метку; две синих точки - световые элементы датчика. Боковые границы метки совпадают с радиусами диска

Датчик оборотов ВС 401

Радиус расположения метки r связан с максимальной частотой балансировки f_бал (об/мин) и частотой дискретизации оцифровки сигнала f_adc (Гц). 
Введем обозначение Т_adc=1/f_adc (сек). 
Время, за которое метка делает полный оборот Т_бал=60/f_бал (сек). За это время центр метки проделывает путь 2πr.

Время движения метки шириной L мимо датчика оборотов ВС 401:

t=Т_балL/(2πr)=60L/(2πr·f_бал)=30L/(πr·f_бал)

Для проведения измерений необходимо, чтобы t≥3Т_adc:

30L/(πr·f_бал)≥3/f_adc ⇒ r·f_бал≤f_adc10L/π

Таким образом, для метки шириной L=1,25* см при частоте дискретизации оцифровки сигнала f_adc=25000 Гц и частоте балансировки f_бал=32000 об/мин, радиус расположения центра метки должен составлять r≤3,125 см. 
*оптимальной шириной метки является ширина L, равная диаметру используемого датчика оборотов.