Патент на изобретение №2270985

(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: сообщают ротору и соосному ему уравновешенному телу колебательное движение относительно неподвижной точки на общей оси ротора и уравновешенного тела. Измеряют амплитуду и фазу угловых колебаний ротора, по которым судят о параметрах неуравновешенности ротора в одной из плоскостей неуравновешенности. Причем одновременно в каждый момент времени в плоскости, проходящей через неподвижную точку, к уравновешенному телу по касательным прикладывают силы, противодействующие угловым колебаниям тела относительно оси. Устройство состоит из станины, укрепленного на роторе вала, установленного внутри уравновешенного тела на упругой опоре с возможностью смещения его относительно оси уравновешенного тела, снабженного на одном конце сферической опорой и связанного регулируемым эксцентриком с валом привода, а также датчиков измерения неуравновешенности, датчика опорного сигнала и блока обработки сигналов с выходов датчиков. Причем в устройство введена дополнительная упругая опора, расположенная в плоскости, проходящей через центр сферической опоры, расположенной на другом конце уравновешенного тела. Технический результат: повышение точности измерений. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Настоящее изобретение относится к технике динамической балансировки вращающихся тел и может быть использовано для определения и коррекции дисбаланса роторов, в частности жестких роторов.

Способ балансировки роторов предусматривает измерение параметров неуравновешенности (величина неуравновешенной массы, радиус и угол расположения ее центра относительно оси ротора) путем определения двух векторов дисбаланса (дисбаланс – векторная величина, равная произведению неуравновешенной массы на радиус-вектор ее центра относительно оси), которые лежат в двух произвольных плоскостях, перпендикулярных оси ротора. Эти плоскости называют плоскостями приведения неуравновешенности или плоскостями коррекции неуравновешенности (см., например, М.Е.Левит, В.М.Рыженков, Балансировка деталей и узлов. М., Машиностроение, 1986 г.).

Широко известны способы балансировки ротора, основанные на сообщении ротору вращательного движения и измерении амплитуд и фаз его колебаний в плоскостях, перпендикулярных оси ротора (например, пат. ЕР № 0150274, 1985 г.). Плоскости приведения неуравновешенности в соответствии с этим способом фиксируют опорами, в которых устанавливается ротор, а измерение амплитуды и фазы колебаний ротора осуществляют измерением динамических нагрузок, возникающих в опорах. Недостаток способа связан с тем, что измеряемые параметры должны подвергаться дополнительной обработке для разделения информации о дисбалансе в разных плоскостях приведения неуравновешенности.

Известен способ балансировки ротора, основанный, как и вышеприведенный, на сообщении ротору, установленному в опорах, вращательного движения. Особенностью этого способа является то, что для разделения плоскостей приведения неуравновешенности ротора после проведения измерений параметров колебаний при одном положении ротора его поворачивают на 180° и снова измеряют амплитуду и фазу колебаний ротора, после чего проводят обработку измеренных параметров, определяя дисбаланс в каждой из плоскостей приведения неуравновешенности (пат. США № 5359885, кл.73/146, 1994 г.). Недостатком этого способа является трудоемкость и малая производительность.

Более удобным в эксплуатации является способ, реализуемый с помощью одной распределенной опоры, в которой закрепляют одним торцом ротор. Способ характеризуется приведением ротора во вращательное движение и измерением динамических нагрузок в поперечных плоскостях опоры, симметричных относительно оси ротора (например, пат. США № 6430992, кл.73/66, 2002 г.). Недостатком этого способа является сложность обработки измеряемых параметров для определения неуравновешенности в каждой из плоскостей приведения.

Общим недостатком способов, основанных на сообщении ротору вращательного движения при установке его в опорах, является влияние используемых технических средств на результаты измерений из-за вибраций, вызываемых биением посадочных поверхностей муфт, овальностью цапф, перекосом наружных колец, наличием смазочного материала в подшипниках опор и т.п.

Настоящее изобретение относится к принципиально иному способу балансировки, характеризующемуся сложным движением ротора, который позволяет, используя достаточно простые технические средства, повысить точность измерения параметров неуравновешенности.

Этот способ известен по а.с. СССР № 297890, кл. G 01 М 1/38, 1971 г. В соответствии с этим способом ротор устанавливают в положение, при котором его ось ориентирована под острым углом к выбранной, например, вертикальной оси, и сообщают ротору колебательное движение относительно неподвижной точки пересечения его оси с выбранной вертикальной осью, при этом обеспечивают такое движение ротора, что проекция траектории движения любой точки оси ротора на горизонтальную плоскость симметрична относительно вертикальной оси.

Усовершенствование этого способа, известного по патенту России № 2105962, кл. G 01 M 1/38, 1993 г., направлено на повышение точности балансировки за счет снижения влияния угловых колебаний ротора на измеряемые параметры. Этот способ, как и вышеприведенный, включает сообщение ротору колебательного движения относительно неподвижной точки, расположенной на оси ротора, и измерение амплитуды и фазы угловых колебаний ротора, по которым судят о параметрах неуравновешенности ротора в одной из плоскостей неуравновешенности. Для повышения точности балансировки формируют систему отсчета измерений, позволяющую уменьшить влияние на измеряемые параметры угловых колебаний ротора относительно его оси. Формируют эту систему отсчета путем использования соосного ротору уравновешенного тела, которое приводят в движение одновременно с ротором. Этот способ является прототипом настоящего изобретения.

Однако при реализации этого способа происходят колебания ротора и, следовательно, уравновешенного тела в плоскости, перпендикулярной оси ротора, что негативно сказывается на точность балансировки.

Достигаемым техническим результатом при использовании настоящего изобретения является повышение точности измерений амплитуды и фазы угловых колебаний ротора за счет снижения (в идеальном случае – за счет исключения) угловых колебаний уравновешенного тела относительно его оси на измеряемые параметры.

В соответствии с настоящим изобретением способ, включающий сообщение ротору и соосному ему уравновешенного телу колебательного движения относительно неподвижной точки, выбранной на общей оси ротора и уравновешенного тела, и измерение амплитуды и фазы угловых колебаний ротора, по которым судят о параметрах неуравновешенности ротора, дополняют новой операцией, а именно одновременно в каждый момент времени в процессе определения дисбаланса в плоскости, проходящей через упомянутую неподвижную точку, к уравновешенному телу по касательным прикладывают силы, противодействующие угловым колебаниям уравновешенного тела относительно оси.

При совмещении упомянутой неподвижной точки с точкой пересечения оси ротора с одной из плоскостей приведения неуравновешенности ротора по измеренным амплитуде и фазе угловых колебаний судят о параметрах неуравновешенности в другой плоскости приведения неуравновешенности.

При смещении ротора вдоль оси на фиксированное расстояние и последующем измерении амплитуды и фазы угловых колебаний ротора в этом положении с учетом ранее измеренных амплитуды и фазы угловых колебаний определяют параметры неуравновешенности в плоскости приведения неуравновешенности, проходящей через упомянутую неподвижную точку.

Технический результат, обеспечиваемый выбором положения упомянутой неподвижной точки, заключается в дальнейшем повышении точности способа за счет устранения взаимного влияния плоскостей приведения неуравновешенности на измеряемые параметры.

Прототипом устройства, с помощью которого реализуется заявляемый способ, является устройство, известное по патенту России № 2105962, кл. G 01 M 1/38, 1993 г. и предназначенное для способа балансировки, основанного на сообщении ротору колебательного движения. Устройство содержит станину, закрепленный на роторе вал, установленный внутри уравновешенного тела на упругой опоре с возможностью смещения его относительно оси уравновешенного тела, снабженного на одном конце сферической опорой и связанного регулируемым эксцентриком с валом привода, а также датчики измерения неуравновешенности, датчик опорного сигнала и блок обработки сигналов с выходов датчиков. Блок обработки сигналов содержит формирователь последовательности импульсов, вход которого соединен с датчиком опорного сигнала, двоичный счетчик, триггер, запоминающий блок – регистр, дешифратор и индикатор величины и угловой координаты неуравновешенности. Перечисленные элементы блока соединены между собой по схеме, обеспечивающей измерение параметров неуравновешенности.

Недостатком этого устройства так же, как и известного способа, является недостаточно высокая точность балансировки из-за колебаний ротора в плоскости, перпендикулярной его оси.

Техническим результатом, получаемым при применении заявляемого устройства, является высокая точность балансировки, обеспечиваемая использованием простых технических средств, не вносящих искажений в результаты измерений параметров неуравновешенности ротора относительно уравновешенного тела.

Для реализации способа в устройство, содержащее станину, закрепленный на роторе вал, установленный внутри уравновешенного тела на упругой опоре с возможностью смещения его относительно оси уравновешенного тела, снабженного на одном конце сферической опорой и связанного регулируемым эксцентриком с валом привода, а также датчики измерения неуравновешенности, датчик опорного сигнала и блок обработки сигналов с выходов датчиков, введена дополнительная упругая опора, расположенная в плоскости, проходящей через центр сферической опоры.

Удобство эксплуатации устройства при определении параметров неуравновешенности в обеих плоскостях приведения неуравновешенности достигается тем, что ротор закреплен на валу привода с возможностью перемещения вдоль его оси и фиксации в двух положениях, в первом из которых одна из плоскостей приведения неуравновешенности ротора проходит через центр сферической опоры, а во втором смещена относительно центра сферической опоры.

Для увеличения инерционности уравновешенного тела дополнительная упругая опора выполнена в виде мембраны, жестко закрепленной по периметру в станине.

Датчики величин неуравновешенности установлены так, что центры их чувствительных элементов лежат симметрично относительно оси уравновешенного тела на одном диаметре, а выходы их соединены так, что при угловом смещении уравновешенного тела выходные сигналы датчиков суммируются, а при смещении в плоскости, перпендикулярной оси уравновешенного тела, вычитаются. Это позволяет при наличии остаточных колебаний ротора в плоскости, перпендикулярной оси ротора, обеспечить компенсацию воздействия этих колебаний на измеряемые параметры.

Блок обработки сигналов содержит блок управления, аналого-цифровой преобразователь, запоминающий блок, блок умножения, блок вычитания, блок измерения амплитуды и фазы и индикатор величины и угловой координаты неуравновешенности, при этом вход блока управления соединен с датчиком опорного сигнала, а выход соединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, запоминающего блока и блока измерения амплитуды и фазы, выходы датчиков величины неуравновешенности соединены с сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со входом запоминающего блока, входом блока измерения амплитуды и фазы и с первым входом блока вычитания, второй вход которого через блок умножения соединен с выходом запоминающего блока, выход блока вычитания подключен ко входу вышеупомянутого блока измерения, выход которого подключен ко входу индикатора величины и угловой координаты неуравновешенности.

На фиг.1 схематично изображено устройство, с помощью которого реализуется способ, на фиг.2 – разрез по линии А-А, на фиг.3 – разрез по линии Б-Б, на фиг.4 – блок обработки сигналов с выходов датчиков.

Устройство для балансировки ротора содержит станину 1, в которой на упругой опоре 2 посредством сферической опоры 3 закреплено одним концом уравновешенное тело 4. Центр сферической опоры 3 выполняет функцию неподвижной точки, относительно которой уравновешенное тело 4 совершает колебательное движение. Внутри уравновешенного тела 4 на осецентрирующих упругих опорах 5 и 6 установлен соосно вал 7 ротора 8. Другой конец уравновешенного тела 4 посредством сферической опоры 9 соединен с регулируемым эксцентриком 10, закрепленным на валу привода 11, установленного на станине 1. Ротор 8 установлен с возможностью перемещения его вдоль оси на величину h и фиксации его в двух положениях, в первом из которых одна из плоскостей приведения неуравновешенности, например нижняя, проходит через центр опоры 3, а во втором смещена относительно центра опоры 3 на величину h, например, вверх. Величина h – выбираемое расстояние из условия удобства измерения. Оно может быть меньше или равно расстоянию между плоскостями приведения неуравновешенности ротора.

Упругая опора 2 предназначена для предотвращения угловых колебаний уравновешенного тела 4 относительно станины 1 в плоскостях, перпендикулярных оси тела 4. В качестве упругой опоры может быть использована любая известная опора (пружины, упругие спицы, торсион и т.п.), однако использование мембраны, жестко закрепленной по периметру в станине 1, является предпочтительным, поскольку возможность жесткого закрепления ее в станине 1 увеличивает инерционность уравновешенного тела 4, позволяя дополнительно повысить точность определения параметров неуравновешенности.

Опоры 5 и 6 позволяют валу 7 ротора 8 поворачиваться вокруг оси, ограничивая его угловые колебания, и обеспечивают возврат ротора 8 в исходное состояние при остановке привода 11. В приведенном на фиг.2 варианте опоры 5 и 6 выполнены в виде спиц 12.

Датчики 13 и 14 измерения величины неуравновешенности расположены на платформе 15, закрепленной на уравновешенном теле 4 в плоскости, перпендикулярной его оси (фиг.3). Чувствительные элементы датчиков 13 и 14 расположены симметрично оси уравновешенного тела 4 и лежат на одном диаметре. При использовании в качестве датчиков 13 и 14 магнитоиндукционных датчиков их якоря закрепляют на присоединительных элементах 16, жестко соединенных с валом 7 ротора 8. Выходы датчиков 13 и 14 соединены так, что при угловом смещении уравновешенного тела 4 относительно оси выходные сигналы датчиков 13 и 14 суммируются и вычитаются при смещении оси уравновешенного тела 4 в плоскости, перпендикулярной его оси.

Регулируемый эксцентрик 10 (фиг.1) связан с датчиком 17 опорного сигнала. По периметру станины 1 установлены световые индикаторы 18, отображающие угловую координату положения неуравновешенности на роторе 8.

Блок обработки сигналов (фиг.4) с выходов датчиков 13 и 14 содержит блок 19 управления, аналого-цифровой преобразователь 20, запоминающий блок 21, блок 22 умножения, блок 23 вычитания, блок 24 измерения амплитуды и фазы и индикатор 25 величины и угловой координаты неуравновешенности. Вход блока 19 управления соединен с датчиком 17опорного сигнала, а выход соединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 20, запоминающего блока 21 и блока 24 измерения амплитуды и фазы. Выходы датчиков 13 и 14 величины неуравновешенности соединены с сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя 20, выход которого соединен со входом запоминающего блока 21 и входом блока 24 измерения амплитуды и фазы. Первый вход блока 23 вычитания соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 20, а второй вход – с выходом блока 22 умножения. Выход блока 23 через блок 24 соединен с индикатором 25.

В начальный момент времени ротор 8 и уравновешенное тело 4 устанавливают на валу 7 в эксцентрике 10 на опоре так, что их ось ориентирована под острым углом к вертикальной оси, проходящей через центр сферической опоры 3 (см.фиг.1). При этом положение ротора 8 на валу 7 выбирают таким, что одна из плоскостей приведения неуравновешенности совпадает с нижней плоскостью ротора 8 (h=0). Затем вал привода 11 приводят во вращение, тем самым сообщают валу 7 ротора 8 и уравновешенному телу 4 колебательное движение относительно центра опоры 3 в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа. При наличии неуравновешенности в верхней плоскости приведения на ротор 8 действует вращающий момент, вызывающий поворот ротора 8 с валом 7 вокруг своей оси (в идеальном случае, когда ротор 8 уравновешен, он совершает колебательное движение без угловых колебаний вокруг своей оси). Одновременно ротор 8 совершает колебания в плоскости, перпендикулярной своей оси, амплитуда которых намного выше амплитуды колебаний, обусловленных неуравновешенностью. Из-за наличия упругих элементов, связывающих уравновешенное тело 4 с валом 7 ротора 8, угловые колебания ротора 8 воздействуют и на тело 4, но одновременное приложение в каждый момент времени к каждой точке уравновешенного тела 4 в плоскости, проходящей через центр опоры 3, сил, направленных по касательным к телу, приводит к компенсации влияния упругих элементов, т.е. к снижению (исключению) угловых колебаний уравновешенного тела 4 относительно своей оси.

Измерение величины неуравновешенности осуществляют датчиками 13 и 14. При использовании в качестве датчиков 13 и 14 магнитоиндукционных датчиков фазы сигналов, индуцируемых в их обмотках и обусловленных неуравновешенностью ротора 8, совпадают, а амплитуда суммарного сигнала датчиков удваивается (при равенстве их коэффициентов преобразования). Выходной сигнал датчиков 13 и 14 благодаря отсутствию угловых колебаний уравновешенного тела 4 в плоскости, перпендикулярной его оси, определяется только неуравновешенностью ротора 8: S₁=A₁sin(t+₁), амплитуда A₁ которого определяется величиной неуравновешенности, а фаза ₁ – угловой координатой ее положения. Этот сигнал преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 20 и в цифровом виде поступает одновременно на сигнальный вход блока 24 измерения амплитуды и фазы и в запоминающий блок 21. В результате на выходе блока 24 формируется информация о величине неуравновешенности и ее угловой координате в верхней плоскости приведения неуравновешенности, эта информация отображается на индикаторе 25. В то же время запоминающий блок 21 запоминает мгновенные значения сигнала S₁ в течение периода сигнала с выхода датчика 17 опорного сигнала, формирующего сигнал синхронизации начала цикла измерения.

После измерения неуравновешенности в верхней плоскости приведения ротор 8 перемещают вдоль оси на расстояние h и проводят измерение неуравновешенности в нижней плоскости приведения неуравновешенности ротора 8. Для исключения влияния на измеряемые величины верхней плоскости приведения неуравновешенности обработку выходных сигналов датчиков 13 и 14 осуществляют следующим образом. С выхода блока 19 управления на управляющий вход блока 24 измерения амплитуды и фазы подается сигнал на измерение амплитуды и фазы цифрового сигнала с выхода блока 23 вычитания. Этот блок выполняет операцию вычитания из сигнала S с выхода аналого-цифровом преобразователя 20 сигнала S₁ с выхода запоминающего блока 21, умноженного на масштабный коэффициент k в блоке 22 умножения. Масштабный коэффициент k учитывает изменение амплитуды сигналов с выходов датчиков 13 и 14, обусловленное неуравновешенностью ротора 8 в верхней плоскости приведения неуравновешенности от смещения ротора вдоль оси. Сигнал S на выходе аналого-цифрового преобразователя 20 имеет вид S=kS₁+S₂, где S₂=А₂sin(t+₂), А₂ – амплитуда сигнала, соответствующего неуравновешенности в нижней плоскости приведения, ₂ – фаза этого сигнала. Выходной сигнал блока 23 вычитания, в котором происходит операция вычитания (S-k·S₁), соответствует неуравновешенности ротора 8 в нижней плоскости приведения и равен S₂=A₂sin(t+₂). Этот сигнал поступает на второй сигнальный вход блока 24 измерения амплитуды и фазы и индикатор 25, который выдает информацию о величине и угловом положении неуравновешенности ротора 8 в нижней плоскости приведения. Индикатор 25 может одновременно показывать параметры неуравновешенности в обеих плоскостях приведения.

Таким образом, использование заявляемого способа позволяет измерить параметры неуравновешенности ротора с высокой точностью в двух плоскостях приведения неуравновешенности. Способ удобен в эксплуатации и не требует больших материальных затрат на его реализацию. Способ может быть использован как в промышленных, так и в бытовых условиях.

Формула изобретения

1. Способ балансировки ротора, включающий сообщение ротору и соосному ему уравновешенному телу колебательного движения относительно неподвижной точки на общей оси ротора и уравновешенного тела и измерение амплитуды и фазы угловых колебаний ротора, по которым судят о параметрах неуравновешенности ротора в одной из плоскостей неуравновешенности, отличающийся тем, что одновременно в каждый момент времени в плоскости, проходящей через неподвижную точку, к уравновешенному телу по касательным прикладывают силы, противодействующие угловым колебаниям тела относительно оси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве упомянутой неподвижной точки используют точку пересечения оси ротора с одной из плоскостей приведения неуравновешенности ротора, а измеренные амплитуду и фазу угловых колебаний используют для определения параметров неуравновешенности в другой плоскости приведения неуравновешенности.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что после измерения амплитуды и фазы угловых колебаний ротора в первом положении, когда упомянутая неподвижная точка совмещена с точкой пересечения оси ротора с одной из плоскостей приведения неуравновешенности, ротор смещают на фиксированное расстояние во второе положение, затем снова измеряют амплитуду и фазу угловых колебаний ротора и используют измеренные амплитуды и фазы угловых колебаний ротора для определения параметров неуравновешенности в плоскости, изначально проходящей через упомянутую неподвижную точку.

4. Устройство для балансировки ротора, содержащее станину, укрепленный на роторе вал, установленный внутри уравновешенного тела на упругой опоре с возможностью смещения его относительно оси уравновешенного тела, снабженного на одном конце сферической опорой и связанного регулируемым эксцентриком с валом привода, а также датчики измерения неуравновешенности, датчик опорного сигнала и блок обработки сигналов с выходов датчиков, отличающееся тем, что в него введена дополнительная упругая опора, расположенная в плоскости, проходящей через центр сферической опоры, расположенной на другом конце уравновешенного тела.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительная упругая опора выполнена в виде мембраны, жестко закрепленной по периметру в станине.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что ротор закреплен на валу с возможностью его перемещения вдоль оси ротора.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что ротор закреплен на валу с возможностью фиксации его в двух положениях, в первом из которых одна из плоскостей приведения неуравновешенности проходит через центр сферической опоры, а во втором смещена относительно центра сферической опоры.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что датчики величин неуравновешенности установлены так, что центры их чувствительных элементов лежат симметрично относительно оси уравновешенного тела на одном диаметре, а их выходы соединены так, что при угловом смещении уравновешенного тела относительно оси выходные сигналы датчиков суммируются, а при смещении оси уравновешенного тела в плоскости, перпендикулярной его оси, вычитаются.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что блок обработки сигналов содержит аналого-цифровой преобразователь, запоминающий блок, блок умножения, блок вычитания, блок управления, блок измерения амплитуды и фазы, причем выход датчиков величины неуравновешенности соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом запоминающего блока, с первым входом блока вычитания и первым входом блока измерения амплитуды и фазы, выход которого соединен с индикатором величины и угловой координаты неуравновешенности, а выход запоминающего блока через блок умножения соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого соединен со вторым входом блока измерения амплитуды и фазы, вход блока управления соединен с выходом датчика опорного сигнала, а выход блока управления соединен с управляющими входами запоминающего блока, аналого-цифрового преобразователя и блока измерения амплитуды и фазы.

РИСУНКИ

PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

(73) Патентообладатель(и):

Николаев Александр Николаевич,
Малев Борис Авраамович,
Брякин Леонид Алексеевич,
Кочкин Сергей Вячеславович,
Щербаков Михаил Александрович

(73) Патентообладатель:

Общество с ограниченной ответственностью “Научно-производственное предприятие “Техника”

Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 30.11.2006 № РД0014734

Извещение опубликовано: 10.01.2007 БИ: 01/2007