RU2795641C1

RU2795641C1 - Rotor balancing device

Info

Publication number: RU2795641C1
Application number: RU2022134012A
Authority: RU
Inventors: Сергей Вячеславович Кочкин; Алексей Леонидович Брякин; Игорь Иосифович Артемов
Filing date: 2022-12-23
Publication date: 2023-05-05

Abstract

FIELD: balancing equipment.

SUBSTANCE: invention can be used to dynamically identify rotor imbalance parameters. As a working movement in the device for balancing the rotor, not rotational, but spherical circulation movement is used. The use of spherical circulation motion instead of rotation leads to a decrease in time for determining the magnitude of the imbalance, to a decrease in energy costs, to the possibility of safe balancing of easily destructible rotors, to simplifying the balancing of non-solid rotors, such as screws, propellers, etc. In a precedent device the measurements of the magnitude and phase of the useful signal from imbalance are carried out in a relative moving frame of reference, and in the proposed balancing device, measurements are carried out in a fixed frame of reference, which favorably affects their accuracy.

EFFECT: increase of the accuracy of determining the imbalance while reducing the complexity of the design of the balancing device.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к балансировочной технике и может быть использовано для определения параметров дисбаланса ротора в динамическом режиме.SUBSTANCE: invention relates to balancing technique and can be used to determine rotor unbalance parameters in dynamic mode.

Традиционно для определения параметров неуравновешенности ротора в качестве рабочего используют вращательное движение. При этом для определения величины неуравновешенности регистрируют колебания вала балансируемого ротора, совершающие в поперечном валу направлении и возникающие вследствие влияния радиальных составляющих сил инерции, действующих на ротор с дисбалансом. Однако, в ряде случаев использование подобного способа затруднено. Так, приведение во вращение ротора с большим осевым моментом инерции затруднительно, а, например, приведение во вращение такого легкоразрушающегося ротора, как заготовка абразивного шлифовального круга крайне опасно. В таких и некоторых других случаях удобно использовать иной способ определения дисбаланса - вибрационные способы балансировки. При реализации таких способов балансировки в качестве информационных параметров регистрируют колебания вала балансируемого ротора, возникающие вследствие влияния тангенциальных (направленных по касательным к траектории движения) сил инерции, действующих на ротор с дисбалансом. Использование вибрационных способов ведет к кардинальному изменению конструкций балансировочных устройств.Traditionally, to determine the parameters of the unbalance of the rotor, rotational motion is used as a working one. At the same time, to determine the magnitude of the imbalance, vibrations of the shaft of the balanced rotor are recorded, performing in the direction transverse to the shaft and arising due to the influence of the radial components of the inertial forces acting on the unbalanced rotor. However, in some cases, the use of such a method is difficult. Thus, bringing into rotation a rotor with a large axial moment of inertia is difficult, and, for example, bringing into rotation such an easily destructible rotor as a workpiece of an abrasive grinding wheel is extremely dangerous. In such and some other cases, it is convenient to use a different way to determine the imbalance - vibrational balancing methods. When implementing such balancing methods, oscillations of the shaft of the balanced rotor are recorded as information parameters, which arise due to the influence of tangential (tangential to the trajectory of motion) inertial forces acting on the unbalanced rotor. The use of vibration methods leads to a fundamental change in the design of balancing devices.

Предлагаемое балансировочное устройство (устройство) относится к устройствам, работающим в режиме сферического циркуляционного движения. [1]The proposed balancing device (device) refers to devices operating in the mode of spherical circulation motion. [1]

Известен патент RU 2105962 C1 МПК G01M 1/38 опубл.27.02.1998 «Станок для балансировки роторов». [2] Станок содержит обойму, в которой на подшипниках установлен вал, на котором закреплен балансируемый ротор. Обойма подвешена на сферическом подшипнике и удерживается от проворота вокруг главной оси пружинами, прикрепленными к станине. Обойма приводится в сферическое циркуляционное (колебательное) движение посредством эксцентрикового привода. Из-за наличия дисбаланса на роторе вследствие воздействия неуравновешенных сил инерции ротор начинает совершать малые крутильные колебания относительно оси закрепления. Величина этих колебаний пропорциональна величине неуравновешенности ротора. Принципиальным недостатком этого устройства является возможность возникновения паразитных низкочастотных крутильных колебаний обоймы относительно собственной оси, которые неблагоприятно влияют на качество полезного сигнала. Кроме этого, применение подшипников при закреплении вала в обойме приводит к тому, что на полезный сигнал (угловые колебания вала относительно обоймы) влияет сила трения в подшипниках. В колебательной системе этого балансировочного станка амплитудные значения величин полезного сигнала имеют порядок 10^-5 радиан. Примененные в этом станке подшипники качения не рассчитаны на работу в условиях таких малых углов поворота. Это обусловлено тем, что при таком режиме работы в подшипнике качения не происходит нормального процесса перекатывания шаров или роликов по обойме подшипника, а происходит их разнонаправленное качание относительно точки покоя, что в свою очередь приводит к тому, что в подшипнике работает не сила трения качения, а сила трения скольжения, величина которой значительно превышает значение трения качения. Вследствие этого вал испытывает повышенное сопротивление, которое действует против полезного сигнала, что отрицательно влияет на точность измерения.Known patent RU 2105962 C1 IPC G01M 1/38 publ.27.02.1998 "Machine for balancing rotors". [2] The machine contains a cage in which a shaft is mounted on bearings, on which a balanced rotor is fixed. The cage is suspended on a spherical bearing and is kept from turning around the main axis by springs attached to the frame. The cage is driven into spherical circulating (oscillatory) motion by means of an eccentric drive. Due to the imbalance on the rotor due to the impact of unbalanced inertia forces, the rotor begins to make small torsional vibrations about the axis of fastening. The magnitude of these fluctuations is proportional to the magnitude of the unbalance of the rotor. The fundamental disadvantage of this device is the possibility of the occurrence of parasitic low-frequency torsional vibrations of the cage relative to its own axis, which adversely affect the quality of the useful signal. In addition, the use of bearings when fixing the shaft in the cage leads to the fact that the useful signal (angular vibrations of the shaft relative to the cage) is affected by the friction force in the bearings. In the oscillatory system of this balancing machine, the amplitude values of the useful signal are of the order of 10 ^-5 radians. The rolling bearings used in this machine are not designed to work in conditions of such small angles of rotation. This is due to the fact that in this mode of operation in the rolling bearing there is no normal process of rolling balls or rollers along the bearing cage, but they swing in different directions relative to the rest point, which in turn leads to the fact that it is not the rolling friction force that works in the bearing, and the force of sliding friction, the value of which significantly exceeds the value of rolling friction. As a result, the shaft experiences increased resistance, which acts against the useful signal, which negatively affects the measurement accuracy.

Применение сферического циркуляционного движения вместо вращения в качестве рабочего движения в балансировочном устройстве ведет к снижению времени определения величины неуравновешенности, к снижению энергетических затрат, к появлению возможности безопасной балансировки легкоразрушающих роторов, к упрощению балансировки несплошных роторов, таких как винты, пропеллеры и пр.The use of spherical circulation motion instead of rotation as a working motion in the balancing device leads to a decrease in the time for determining the magnitude of unbalance, to a decrease in energy costs, to the possibility of safe balancing of easily destructive rotors, to simplifying the balancing of non-solid rotors, such as screws, propellers, etc.

Предлагаемая конструкция [2] балансировочного станка избыточно сложна и не способна обеспечить высокую точность измерений дисбаланса.The proposed design [2] of the balancing machine is excessively complex and is not capable of providing high accuracy of unbalance measurements.

Проблема простоты конструкции и реализации точных и быстрых изменений дисбаланса решается с помощью предлагаемого устройства для балансировки ротора согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты исполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.The problem of simplicity of design and implementation of accurate and fast imbalance changes is solved with the proposed device for balancing the rotor according to paragraph 1 of the claims. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Наиболее близким аналогом предлагаемого решения является изобретение «Способ и устройства для балансировки ротора» патент RU 2270985 C1 G01M 1/16, опубл. 27.02.2006. [3] Это устройство отличается от балансировочного устройства по патенту [2] тем, что вал и закрепленный на нем балансируемый ротор балансировочного устройства совершает рабочее сферическое движение вместе с присоединенной к валу обоймой, а возникающие его малые крутильные колебания из-за наличия неуравновешенности ротора измеряются относительно этой обоймы. Предотвращение проворота обоймы относительно своей оси обеспечивается тем, что к ней по касательной прикладываются силы, противодействующим ее угловым колебаниям. Технически это осуществляется применением плоской мембраны в плоскости сферического подвеса, на котором подвешена обойма с валом. Внешняя часть мембраны прикреплена к станине балансировочного устройства, а внутренняя - к обойме. Кроме этого в данном балансировочном устройстве вал закреплен на обойме не подшипниками, а посредством упругих элементов специальной конструкции, которые обеспечивают высокую жесткость в осевом и ортогонально осевом направлениях, но относительно низкую крутильную жесткость относительно оси вала. Применение мембранного узла и упругих элементов особой конструкции благоприятно влияет на результаты измерений величины неуравновешенности. Так что с метрологической стороны это балансировочное устройство обеспечивает более качественные результаты определения величины неуравновешенности, чем устройство по патенту [2]. Однако это балансировочное устройство имеет ряд недостатков. Применение предложенных упругих элементов минимизирует, но не предотвращает поперечные и осевые колебания вала относительно своей оси. А наличие даже малых таких колебаний при амплитуде величины полезного сигнала порядка 10^-5 радиан вносит серьезные искажения в полезный сигнал, что в свою очередь ведет к снижению точности определения величины и места расположения неуравновешенности. Основная мощность паразитных помех, возникающих из-за наличия дефектов конструкции такого балансировочного устройства расположена в районе частот, совпадающих с частотой полезного сигнала, что затрудняет его выявление в общей картине вибраций. Кроме того, конструкция этого балансировочного устройства громоздкая и очень сложная, как в конструкторском, так и в технологическом плане.The closest analogue of the proposed solution is the invention "Method and devices for balancing the rotor" patent RU 2270985 C1 G01M 1/16, publ. 02/27/2006. [3] This device differs from the balancing device according to the patent [2] in that the shaft and the balanced rotor of the balancing device fixed on it performs a working spherical movement together with the holder attached to the shaft, and its small torsional vibrations arising due to the presence of unbalance of the rotor are measured regarding this loop. Prevention of rotation of the holder relative to its axis is ensured by the fact that forces are applied tangentially to it, counteracting its angular oscillations. Technically, this is done by using a flat membrane in the plane of a spherical suspension, on which a holder with a shaft is suspended. The outer part of the membrane is attached to the frame of the balancing device, and the inner part is attached to the holder. In addition, in this balancing device, the shaft is fixed to the cage not by bearings, but by means of elastic elements of a special design, which provide high rigidity in the axial and orthogonal to axial directions, but relatively low torsional rigidity relative to the shaft axis. The use of a membrane unit and elastic elements of a special design favorably affects the results of measurements of the unbalance value. So, from the metrological side, this balancing device provides better results for determining the magnitude of unbalance than the device according to the patent [2]. However, this balancing device has a number of disadvantages. The use of the proposed elastic elements minimizes, but does not prevent, transverse and axial vibrations of the shaft about its axis. And the presence of even small such fluctuations with an amplitude of the useful signal on the order of 10 ^-5 radians introduces serious distortions into the useful signal, which in turn leads to a decrease in the accuracy of determining the magnitude and location of the imbalance. The main power of parasitic interference arising from the presence of structural defects of such a balancing device is located in the region of frequencies coinciding with the frequency of the useful signal, which makes it difficult to identify it in the overall picture of vibrations. In addition, the design of this balancing device is bulky and very complex, both in terms of design and technology.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является повышение точности определения дисбаланса с одновременным снижением сложности конструкции балансировочного устройства.The task to be solved by the claimed invention is to increase the accuracy of determining the imbalance while reducing the complexity of the design of the balancing device.

Данная задача решается за счет того, что в аналоге измерения величины и фазы полезного сигнала от неуравновешенности проводятся в относительной, подвижной системе отсчета, а в предлагаемом балансировочном устройстве измерения проводятся в неподвижной системе отсчета, что благоприятно влияет на их точность.This problem is solved due to the fact that in the analogue the measurements of the magnitude and phase of the useful signal from imbalance are carried out in a relative, moving frame of reference, and in the proposed balancing device, measurements are carried out in a fixed frame of reference, which favorably affects their accuracy.

На чертеже схематично изображено предлагаемое балансировочное устройство.The drawing schematically shows the proposed balancing device.

Устройство состоит из внешней обоймы 6, которая подвешена на подшипниках 9 на внутренней обойме 11, неподвижно закрепленной на основании 12. Внешняя обойма имеет в вертикальной плоскости сечение в форме трапеции. На валу 3 установлен балансируемый ротор 1, имеющий статический дисбаланс 2. Верхняя часть вала перпендикулярна плоскости установки подшипников 4, которые установлены между валом и внешней обоймой. Вал имеет гибкий участок 5, установленный в районе подшипника 4. Этот гибкий участок имеет высокую крутильную жесткость, но допускает изгиб вала. Нижняя часть вала 3 неподвижно закреплена на основании 12. Верхняя и нижняя части вала соединены упругим элементом 10, который имеет высокую жесткость в направлении, перпендикулярном оси вала и в тоже время низкую крутильную жесткость относительно его продольной оси. При работе балансировочного устройства внешняя обойма 6 приводится во вращательное движение 8 внешним приводным устройством вокруг своей оси. Амплитуда возникающего сферического циркуляционного движения балансируемого ротора 1 задается углом наклона вала 3. При таком движении из-за наличия на балансируемом роторе 1 дисбаланса 2 возникают малые крутильные колебания вала 7 относительно своей оси. Амплитуда этих колебаний на определенном участке АЧХ колебательной системы балансировочного устройства пропорциональна величине неуравновешенности, а фазовый сдвиг относительно начальной фазы приводного устройства указывает на угловую координату расположения неуравновешенности.The device consists of an outer cage 6, which is suspended on bearings 9 on the inner cage 11, fixed on the base 12. The outer cage has a trapezoid-shaped section in the vertical plane. A balanced rotor 1 is installed on the shaft 3, having a static imbalance 2. The upper part of the shaft is perpendicular to the installation plane of the bearings 4, which are installed between the shaft and the outer race. The shaft has a flexible section 5 installed in the region of the bearing 4. This flexible section has a high torsional rigidity, but allows the shaft to bend. The lower part of the shaft 3 is fixedly fixed on the base 12. The upper and lower parts of the shaft are connected by an elastic element 10, which has high rigidity in the direction perpendicular to the axis of the shaft and at the same time low torsional rigidity relative to its longitudinal axis. During operation of the balancing device, the outer cage 6 is driven in rotational motion 8 by an external drive device around its axis. The amplitude of the resulting spherical circulation motion of the balanced rotor 1 is set by the angle of inclination of the shaft 3. With this movement, due to the presence of unbalance 2 on the balanced rotor 1, small torsional vibrations of the shaft 7 occur relative to its axis. The amplitude of these oscillations in a certain section of the frequency response of the oscillatory system of the balancing device is proportional to the magnitude of the imbalance, and the phase shift relative to the initial phase of the drive device indicates the angular coordinate of the location of the imbalance.

Повышение точности предлагаемого балансировочного устройства относительно аналогов происходит из-за того, что измерения полезного сигнала - малых угловых колебаний вала 7 относительно своей оси происходит относительно внутренней обоймы 9, то есть в неподвижной системе отсчета. Это благоприятно влияет на общий уровень шумов, что в свою очередь дает возможность выделения полезного сигнала низкого уровня, что повышает точность определения величины и угловой координаты расположения неуравновешенности.Increasing the accuracy of the proposed balancing device relative to analogues is due to the fact that the measurement of the useful signal - small angular vibrations of the shaft 7 relative to its axis occurs relative to the inner cage 9, that is, in a fixed frame of reference. This favorably affects the overall noise level, which in turn makes it possible to isolate a useful low-level signal, which increases the accuracy of determining the magnitude and angular coordinate of the location of the imbalance.

Предлагаемое балансировочное устройство имеет простую конструкцию и не предъявляет высоких требований к технологии его изготовления.The proposed balancing device has a simple design and does not impose high requirements on the technology of its manufacture.

Параметры колебательной системы балансировочного устройства в частности определяются крутильной жесткостью вала 3. Поэтому на нижнем участке вала имеется упругий элемент 10. Конструктивно он имеет высокую жесткость в осевом и ортогональном ему направлениях, но управляемую достаточно низкую крутильную жесткость. Собственная крутильная частота колебательной системы вал-ротор, задаваемая крутильной жесткостью этого упругого элемента, определяет рабочий диапазон масс и типоразмеров роторов, которые можно балансировать на этом устройстве.The parameters of the oscillatory system of the balancing device, in particular, are determined by the torsional stiffness of the shaft 3. Therefore, there is an elastic element 10 on the lower section of the shaft. Structurally, it has a high rigidity in the axial and orthogonal directions, but a controlled rather low torsional stiffness. The intrinsic torsional frequency of the shaft-rotor oscillatory system, given by the torsional stiffness of this elastic element, determines the operating range of masses and sizes of rotors that can be balanced on this device.

Одним из вариантов исполнения гибкого участка ротора 5 является его исполнение в виде сильфона. Применение сильфона позволяет просто решить проблему наклона верхней части вала.One of the options for the flexible section of the rotor 5 is its execution in the form of a bellows. The use of a bellows makes it easy to solve the problem of tilting the top of the shaft.

Список литературных источниковList of literary sources

1. Кочкин С.В. Технология балансировки роторов в режиме сферического циркуляционного движения. [Текст]: дис. канд. техн. наук: 05.02.08 / С.В. Кочкин. - Пенза, 2008. - 194 с.1. Kochkin S.V. Technology of balancing of rotors in the mode of spherical circulating motion. [Text]: dis. cand. tech. Sciences: 05.02.08 / S.V. Kochkin. - Penza, 2008. - 194 p.

2. Патент RU 2105962 C1, МПК G01M 1/38. «Станок для балансировки роторов» Малев Б.А. (RU), Николаев А.Н. (RU), Брякин Л.А. (RU), Климухин Ю.И. (RU) опубл.27.02.1998.2. Patent RU 2105962 C1, IPC G01M 1/38. "Machine for balancing rotors" Malev B.A. (RU), Nikolaev A.N. (RU), Bryakin L.A. (RU), Klimukhin Yu.I. (RU) publ.27.02.1998.

3. Патент RU 2270985 C1, G01M 1/16. «Способ и устройства для балансировки ротора» Малев Б.А. (RU), Николаев А.Н. (RU), Брякин Л.А. (RU), Кочкин С.В. (RU), Щербаков М.А. (RU) опубл. 27.02.2006.3. Patent RU 2270985 C1, G01M 1/16. "Method and devices for balancing the rotor" Malev B.A. (RU), Nikolaev A.N. (RU), Bryakin L.A. (RU), Kochkin S.V. (RU), Shcherbakov M.A. (RU) publ. 02/27/2006.

Claims

1. A device for balancing the rotor in the mode of spherical circulating motion, containing a shaft with a balanced rotor installed on it, brought into the mode of spherical circulating motion relative to the vertical axis, a cage, relative to which small angular torsional vibrations of the balanced rotor and shaft are measured, arising due to the imbalance of the balanced rotor, characterized in that the lower part of the shaft is fixedly fixed on the base together with the cage, on the upper part of the shaft there is a flexible section that provides an inclination of the upper part of the shaft at an acute angle, and the mode of spherical circulation motion of the balanced rotor is set by an additional outer cage, rotating on bearings relative to the inner race and having a section in the vertical plane in the form of a trapezoid, located one of the sides up.

2. The device according to claim 1, characterized in that the upper part of the shaft is connected to the lower part of the shaft by means of an elastic element, which has torsional rigidity relative to its longitudinal axis passing through the center of the lower part of the shaft, providing the necessary characteristics of the oscillatory system of the device.

3. The device according to claims 1, 2, characterized in that the flexible section of the upper part of the shaft is made in the form of a bellows.