|
УДК 62-755: 534.1
Г.Б.Филимонихин
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ПАССИВНЫХ АВТОБАЛАНСИРОВ И ЕГО АПРОБАЦИЯ ШАРОВЫМ АВТОБАЛАНСИРОМ
Для уравновешивания быстровращающихся роторов центробежных машин, шпинделей шлифовальных станков, роторов турбогенераторов и т.д. применяются пассивные автобалансиры. Корректирующие грузы (КГ) в них сами приходят в положение, в котором уравновешивают ротор и дальше вращаются с ним как одно целое, пока не начнет меняться дисбаланс, скорость вращения ротора или не появятся возмущающие силы, действующие на ротор.
Экспериментально исследовался процесс уравновешивания ротора так называемыми классическими автобалансирами - кольцевыми, маятниковыми и шаровыми [1-5]. Основное внимание в этих исследованиях уделялось времени уравновешивания ротора, величине остаточного дисбаланса, числу и величине критических скоростей. При этом не исследованными остались: переходные процессы, касающиеся разгона КГ до скорости вращения ротора; различные нестационарные установившиеся движения КГ относительно ротора; устойчивость нестационарных установившихся движений на всем интервале изменения угловой скорости вращения ротора. Это, и создание новых пассивных автобалансиров [6-9], делает актуальным экспериментальное исследование динамики таких устройств.
В настоящей работе описывается универсальный стенд для визуального наблюдения за процессом уравновешивания ротора различными автобалансирами, методика исследований и результаты апробации стенда при исследовании динамики шаровых автобалансиров.
Стенд выполнен на основе центрифуги машины стиральной полуавтоматической бытовой, типа СМП-2Д (рис.). В корпусе 1 машины имеются две емкости 2, 3. В емкости 2 установлен источник направленного света 4. Свет от источника проходит через узкое прямоугольное отверстие 5 в корпусе машины в емкость 3. В емкости 3 установлен ротор 6 (экстрактор центрифуги). В его корпусе так же имеется узкое прямоугольное отверстие 7. Свет через это отверстие, один раз за полный оборот ротора, попадает в середину ротора. Поэтому наблюдатель видит внутренности ротора в одном и том же положении. Центрифугу 6 крепят к валу 8 двигателя 9 автобалансиры 10 (на схеме шаровой автобалансир), выполненные в виде планшайб. В корпусе автобалансиров выполнено соосно вала ротора резьбовое отверстие 11, в которое вкручивается источник лазерного света 12. Включение двигателя и света в емкости 2 осуществляется тумблерами "Двигатель" и "Свет". Управление скоростью вращения двигателя осуществляется через блок управления двигателем (БУД) 13.
Рисунок
В отверстие 7 вставляется рассеиватель света. Поскольку центрифуга металлическая, то рассеянный свет многократно отражается и рассеивается ее поверхностью, чем создается равномерное освещение.
Для измерения угловой скорости вращения ротора используется тахометр. Процесс уравновешивания ротора снимается видеокамерой. Установившиеся режимы, в которых КГ неподвижны относительно ротора, фиксируются фотокамерой. Внешние устройства на схеме стенда не показаны.
Погрешность определения положения КГ относительно ротора
h%
= (dmax /Pmin) 100%,где
dmax - наибольшая ширина щели в корпусе машины или на роторе; Pmin - минимальный периметр корпуса центрифуги, измеренный на уровне щели. Эта оценка не зависит от скорости вращения ротора.Настоящий стенд отличается от стенда, описанного в [5] конструкцией и назначением и имеет ряд преимуществ. Поскольку свет подается в ротор через боковое отверстие, то пространство над ротором свободно для проведения видео и фотосъемок практически с любого положения. Это важно для исследования новых автобалансиров [6-9], так как в них движения КГ видны только с некоторых положений наблюдателя относительно ротора, причем эти положения меняются в зависимости от величины и направления вектора дисбаланса. Погрешность наблюдений не зависит от скорости вращения ротора и легко определяется по формуле, приведенной выше. Эту погрешность можно значительно уменьшить, уменьшая величину
dmax. Стенд универсальный, так как позволяет наблюдать процесс работы любого пассивного автобалансира с твердыми корректирующими грузами, выполненного в виде планшайбы.Методика проведения исследований делится на несколько этапов.
На первом этапе центрируется лазерный луч и уравновешивается ротор.
Статическое центрирование лазерного луча производится в такой последовательности. Автобалансиром без корректирующих грузов фиксируется центрифуга на валу ротора. В корпус автобалансира вкручивается источник лазерного света. Его луч падает яркой точкой на потолок. Поворачивая центрифугу с шагом в 90
0, определяют и устраняют несоосность вала ротора и лазерного луча. Для регулировки наклона луча в корпусе источника лазерного света имеются четыре болта, расположенные один напротив другого. При качественном центрировании лазерный луч указывает в одну точку, вне зависимости от угла поворота центрифуги.Динамическое центрирование лазерного луча связано с балансировкой ротора и заключается в следующем. При включенном двигателе лазерный луч должен показывать в одну точку. Если этого не происходит (луч описывает практически правильную окружность на потолке), то ротор разбалансирован. Ротор балансируется по отклонению луча от статического положения. Возможный алгоритм балансировки следующий:
На втором этапе исследуется точность изготовления автобалансира. Для этого КГ устанавливаются в середину автобалансира. Ротор разгоняется до наибольшей скорости и выжидается наступление балансировки. Затем питание двигателя отключается и на всем диапазоне скоростей вращения ротора, при котором сохраняется балансировка, наблюдаются положение точки от лазерного луча и положения корректирующих грузов. При качественном изготовлении автобалансира КГ наиболее долго занимают нейтральное положение (положение, в котором они не вносят дисбаланс в систему), а лазерный луч указывает в одну точку. Точность изготовления автобалансира влияет на погрешность эксперимента. Если лазерный луч описывает окружность, то чем больше ее диаметр, тем меньше точность изготовления автобалансира, а значит и точность эксперимента.
На третьем этапе исследуются параметры работы автобалансира при разгоне, крейсерском режиме и выбеге ротора. Эксперименты проводятся при различных дисбалансах ротора, при внешних силовых воздействиях на ротор, при различных параметрах системы и т.д.
Наблюдение за разгоном ротора производится при различных начальных положениях и скоростях корректирующих грузов. Объектами наблюдения являются колебания ротора во время разгона, различные режимы движения КГ в переходных процессах, время за которое КГ уравновесят ротор.
Исследование работы автобалансира при постоянной скорости вращения ротора заключается в наблюдении за различными установившимися режимами движения ротора, изучении устойчивости этих движений к различным возмущениям. При уравновешивании ротора изучается величина остаточного дисбаланса и чувствительность автобалансира к изменению дисбаланса.
Исследование работы автобалансира на выбеге ротора заключается в выявлении критических скоростей вращения ротора, при переходе которых пропадает (или снова появляется) явление автобалансировки, а так же наблюдение за различными режимами движения КГ.
Для апробации стенда были изготовлены два шаровых автобалансира, одинаковой массы и балансировочной емкости. В одном автобалансире шары поддерживаются на уровне беговой дорожки горизонтальной площадкой. Во втором автобалансире дно коническое, в связи с чем шары выходят на беговую дорожку при разгоне ротора. Параметры системы следующие:
M
=4,45 кг, m=0,045 кг, w0=3 об/ с,где
M - суммарная масса вращающихся частей двигателя, центрифуги и автобалансира, m - масса одного шара, w0 - частота собственных колебаний центрифуги.После выполнения этапов 1 и 2 была установлена приемлемая точность изготовления автобалансиров. Результаты исследований основных параметров работы автобалансиров следующие.
1. Автобалансировка происходит при четном и нечетном количестве шаров, большем двух на скоростях, превышающих резонансную частоту - частоту собственных колебаний неподвижного ротора.
2. При наличии сил вязкого трения (беговая дорожка смазана слоем смазки или при помещении шаров в масло) шары быстро вовлекаются во вращение вместе с ротором и балансировка наступает за минимальный промежуток времени, даже во время разгона ротора. Однако чувствительность шаров к изменению дисбаланса тем меньше, чем больше вязкость масла или смазки беговой дорожки. В момент пуска ротора его колебания вместе с шарами более значительны, чем без шаров. При выбеге ротора шары остаются в положении, в котором уравновешивают ротор вплоть до резонансной скорости вращения ротора, а часто и до меньших скоростей и даже до полной остановки ротора. Причем чем больше вязкость масла или смазки беговой дорожки, тем дольше шары остаются в положении, в котором уравновешивают ротор. Объясняется это вязкостью смазки или масла, а не возможностью балансировки ротора на дорезонансных скоростях.
3. При очищении беговой дорожки от смазки поведение автобалансиров принципиально меняется. Наиболее полно исследовано поведение автобалансиров с двумя шарами. В зависимости от типа автобалансира наблюдаются три или четыре различных режима движения.
В первом режиме наступает автобалансировка ротора. Время переходных процессов значительное - от 7 до 45 секунд. Наблюдаются два принципиально различных режима разгона шаров. В первом режиме разгона шары прижаты друг к другу и при вращении отстают от ротора. Во время разгона их видимое изображение удваивается, утраивается, учетверяется и т.д
. Когда шары догоняют ротор, то начинают очень быстро расходиться и сближаться с соударениями. Наконец происходит сильный удар шара об шар, после чего шары начинают колебаться около положений, в которых уравновешивают ротор с частотой, близкой к резонансной. Эти колебания через 2-7 секунд затухают. Луч лазера, пока шары прижаты друг к другу, колеблется с частотой, близкой к резонансной и при этом он периодически проходит через свое статическое положение, то приближаясь к нему, то отдаляясь. Часто виден рисунок нескольких лепестков, соединенных в статическом положении луча. При колебании шаров вокруг положений, в которых они уравновешивают ротор, луч лазера описывает окружность, которая меняет свой диаметр. В результате нескольких колебаний с околорезонансной частотой, окружность вырождается в точку. Во втором режиме разгона шары находятся напротив друг друга. Их видимое изображение удваивается, утраивается и т.д. Когда шары догоняют ротор, один из шаров начинает быстро двигаться навстречу другому шару, происходит резкий удар, шары начинают колебаться возле положений, в которых уравновешивают ротор. Со временем колебания затухают. Во время разгона шаров луч лазера описывает окружность меняющегося диаметра. Иногда лазер во время разгона шаров указывает в точку своего статического положения, и только после столкновения шаров появляется пульсирующая окружность, но ее диаметр значительно меньший, чем в предыдущем описанном режиме разгона. Второй режим разгона шаров значительно спокойней первого. Режим автобалансировки устойчив к внешним возмущениям. На больших скоростях вращения ротора на положения шаров мало влияют внешние силовые воздействия на ротор или торможение ротора.При выбеге ротора наблюдаются три критические скорости, что соответствует теоретическим исследованиям, проведенным в работе [10]. Наивысшая - в 1,5~1,7 раз превышает резонансную частоту, а наинизшая практически равна резонансной частоте. Если дисбаланс мал (шары выстроены почти один напротив другого), то при падении скорости вращения ротора до наивысшей критической, один из шаров начинает движение против вращения ротора в сторону второго шара, бьет по нему и потом два шара, прижавшись друг к другу, перекатываются по беговой дорожке в направлении, обратном направлению вращения ротора (отстают от него). При падении скорости вращения ротора до первой критической, круговое движение шаров прекращается. Они максимально отклоняются в направлении легкой стороны ротора, а затем перекатываются в тяжелую сторону, но в направлении вращения ротора. Если дисбаланс велик (шары находятся недалеко один от второго), то при падении скорости вращения до наивысшей критической, они начинают колебаться возле положений, в которых уравновешивают ротор. С некоторого момента они касаются друг друга в наиболее легкой части ротора, колебания прекращаются и шары остаются в этом положении до падения скорости вращения ротора до второй критической скорости. При достижении этой скорости шары плавно расходятся, оказываются в положении, в котором уравновешивают ротор и далее находятся
там, вплоть до падения скорости до резонансной частоты. При переходе резонансной частоты наблюдается картина, аналогичная случаю малых дисбалансов.Во втором режиме два шара прижаты друг к другу и во вращении отстают от ротора. Последний колеблется с околорезонансной частотой. Лазерный луч описывает фигуры, похожие на соединенные вместе лепестки. Режим устойчив к внешним воздействиям на ротор и к изменению скорости вращения ротора. При выбеге ротора кратность изображений шаров уменьшается, вплоть до удвоения. При дальнейшем уменьшении скорости вращения ротора видно истинное движение шаров относительно ротора - шары плотно прижаты друг к другу и катятся по беговой дорожке в сторону, противоположную направлению вращения ротора. При падении скорости вращения ротора до резонансной частоты, наблюдается картина, аналогичная первому режиму.
В третьем режиме шары выстроены один напротив другого. Они начинают догонять ротор, поэтому их изображение удваивается, утраивается и т.д. Однако в некоторый момент происходит резкое колебание ротора, шары значительно теряют скорость, и далее все повторяется (снова начинают догонять ротор и т.д.). Режим устойчив к воздействиям на ротор и к изменению скорости вращения ротора. При выбеге ротора, на некоторой скорости вращения ротора третий режим переходит во второй. При этом один из шаров начинает катиться в сторону второго шара, бьет по нему, и затем два шара, прижавшись друг к другу, катятся относительно ротора в сторону, противоположную направлению вращения ротора.
В четвертом режиме шары начинают догонять ротор, но ударяются о беговую дорожку, отскакивают, падают на дно автобалансира и т.д. Режим наблюдается редко, чаще во время выбега ротора. Режим склонен переходить во второй режим движения ротора. У автобалансира, у которого нижняя площадка горизонтальна (поддерживает шары), этот режим не наблюдается.
ЛИТЕРАТУРА