Способ балансировки зубчатых и роторных механизмов

 

Использование: машиностроение, балансировочная техника, уравновешивание зубчатых механизмов и роторных механизмов, содержащих облопаченные диски. Сущность изобретения: определяют траектории движения цапф каждого из валов с установленными на них зубчатыми колесами или облопаченными дисками с помощью датчика опорного сигнала и двух преобразователей перемещений, оси чувствительности которых ориентируют во взаимно перпендикулярных направлениях. Определяют по параметрам траектории неуравновешенные силы от дисбаланса и накопленную погрешность шага зацепления или шага лопаток и угла между этими силами, по которым определяют корректирующие массы. Определяют направление прецессии оси каждой цапфы, а уравновешивание зубчатых колес и облопаченных дисков производят до возникновения обратной прецессии. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к балансировочной технике и может быть использовано при балансировке зубчатых и роторных механизмов в сборе.

Известен способ балансировки зубчатых механизмов, заключающийся в том, что балансируют каждое зубчатое колесо, установленное на соответствующем валу, определяют накопленную погрешность шага зацепления колес, осуществляют их сборку и корректировку масс с учетом накопленной погрешности шага зацепления [1] К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что известный способ не позволяет балансировать зубчатые механизмы с достаточной точностью из-за сложности определения неуравновешенной силы от накопленной погрешности шага зацепления, зависящей от геометрических и динамических параметров зубчатого механизма, которые определят приближенно. Кроме того, способ не позволяет учесть технологический и эксплуатационный дисбалансы, проявляющиеся при работе зубчатого механизма.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является способ балансировки зубчатых механизмов, заключающийся в том, что определяют траекторию движения цапф каждого из валов с установленными зубчатыми колесами с помощью датчика опорного сигнала и двух преобразователей перемещения, оси чувствительности которых ориентируют во взаимно перпендикулярных направлениях, по параметрам траектории рассчитывают неуравновешенные силы от дисбаланса и накопленной погрешности шага зацепления и угол между ними, по которым определяют корректирующие массы [2] К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе отсутствует дополнительный критерий уравновешенности, что может привести к увеличению количества пробных пусков и соответственно к увеличению времени балансировки.

Цель изобретения заключается в осуществлении оперативной оценки степени уравновешенности зубчатых колес и облопаченных дисков при их балансировке в осуществлении оперативной оценки степени уравновешенности зубчатых колес и облопаченных дисков при их балансировке в рабочих опорах на рабочих режимах.

Цель достигается тем, что в известном способе балансировки зубчатых и роторных механизмов, заключающемся в том, что определяют траектории движения цапф каждого из валов с установленными зубчатыми колесами или облопаченными дисками с помощью датчика опорного сигнала и двух преобразователей перемещения, оси чувствительности которых ориентируют во взаимно перпендикулярных направлениях, по параметрам траектории определяют неуравновешенные силы от дисбаланса и накопленной погрешности шага зацепления или шага лопаток и угол между ними, по которым определяют корректирующие массы, дополнительно определяют направление процессии оси каждой цапфы, а уравновешение зубчатых колес и облопаченных дисков производят до возникновения обратной прецессии.

Направление прецессии оси каждой цапфы можно определить по фазовому углу между сигналами преобразователей перемещения.

Кроме того, направление процессии оси каждой цапфы можно определить визуально, для чего визуализируют траекторию движения каждой цапфы и определяют направление прецессии по движению точек траектории относительно соответствующей опорному сигналу метки на траектории.

Изложенная выше совокупность признаков обеспечивает достижение указанного технического результата, чем обуславливается причинно-следственная связь между признаками и техническим результатом и существенность признаков формулы изобретения.

Как правило, при балансировке роторов на месте установки дополнительным критерием уравновешенности является пониженная вибрация на корпусах подшипников или на опорах механизма.

Для зубчатого механизма и роторного механизма с облопаченными дисками вибрация на корпусах подшипников или на опорах не может в полной мере являться критерием уравновешенности, так как в данном случае практически уравновешивается только половина силы от накопленной погрешности шага зацепления и шага лопаток, поэтому даже после проведения уравновешивания при большой величине силы от накопленной погрешности шага зацепления или шага лопатки остаточная вибрация на опорах может быть значительной. При этом критерием уравновешенности согласно предлагаемому способу балансировки может быть обратная прецессия оси цапфы, движущейся по эллиптической траектории.

Обратная прецессия оси цапфы возможна только при обратном вращении суммарного вектора возмущающих сил (силы дисбаланса и силы от накопленной погрешности шага зацепления или шага лопаток).

Аналогичные условия возникновения прецессии оси цапфы описаны в литературе (см. Д.В.Хронин и колебания в двигателях летательных аппаратов. М. Машиностроение, 1970, с. 161-163). Обратное же вращение суммарного вектора обуславливается частичным уравновешиванием силы от накопленной погрешности шага зацепления или шага лопаток силой дисбаланса.

Силу от накопленной погрешности можно представить в виде двух равных векторов Р_нп, вращающихся в прямом и обратном направлениях со скоростью ω и -ω. Вектор силы от дисбаланса Р_д вращается в прямом направлении со скоростью ω. Частичная или полная компенсация может произойти только между векторами, вращающимися в одном направлении с одинаковой скоростью, т.е. между и , что возможно при и фазовом угле π /2 < ϕ < 3/2 π. При этом + и вращение суммарного вектора будет происходить в обратном направлении. Вероятно, оптимальным случаем уравновешивания будет выполнение равенства += 0. При этом величина суммарного вектора будет равна с обратным вращением, а годограф силы будет являться окружностью. Таким образом, обратная процессия оси цапфы может служить критерием уравновешенности зубчатого колеса или облопаченного диска. Как показано выше, обратная прецессия оси цапфы возникает при выполнении условий: 2P и π /2 < ϕ<< 3/2 ˙ π О направлении прецессии оси цапфы можно судить по величине фазового угла между векторами перемещения по двум взаимно перпендикулярным осям в поперечной плоскости. В свою очередь, величину фазового угла между векторами перемещения определяют по фазовому углу между сигналами двух преобразователей перемещения со взаимно перпендикулярными осями. При прямой прецессии фазовый угол между векторами перемещений π /2 < ε< < π /2, при обратной π /2 < ε < 3/2 ˙ π.

По аналогии с зубчатым механизмом накопленную погрешность можно рассматривать и в облопаченных дисках. Например, лопатки компрессоров и турбин по окружности имеют неравномерный шаг, что приводит к возникновению периодической силы. Проявление и взаимодействие сил от остаточного дисбаланса и от неравномерности шага лопаток приводят к возникновению прецессии оси вала с установленным на него облопаченным диском.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, в заявленном изобретении не предусматриваются следующие преобразования: дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений; замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата; увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов; выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала; создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит два преобразователя 1 перемещений, датчик 2 опорного сигнала, следящий анализатор 3, входы которого соединены с выходами преобразователей 1 перемещений и датчик 2 опорного сигнала, аналого-цифровой преобразователь 4 с блоками КАМАК, подключенный к выходу следящего анализатора 3, и ЭВМ 5.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в последовательности определенных операций, производимых с помощью устройства, используемого для реализации предложенного способа.

Предварительно отбалансированные зубчатые колеса, облопаченные диски роторов собирают и после сборки на каждой опоре устанавливают по два преобразователя 1 перемещений, оси чувствительности которых ориентируют во взаимно перпендикулярных направлениях по осям Х и Y.

Для упрощения расчетов при балансировке зубчатого механизма ось чувствительности одного из преобразователей перемещений совмещают с направлением линии зацепления зубчатых колес, совпадающий с осью Y. Устанавливают датчик 2 опорного сигнала, производят пуск механизма и с помощью преобразователей 1 перемещения измеряют в плоскости каждой цапфы векторы и перемещений цапфы и фазовый угол ε между ними. Эти векторы вращаются вместе с цапфой с частотой ω. Аналоговые сигналы с преобразователей 1 перемещений фильтруют и выделяют сигналы с частотой ω с помощью следящего анализатора 3. Аналого-цифровой преобразователь 4 с блоками КАМАК преобразует аналоговые сигналы в цифровые. Проекции вектора на ось Х и вектора на ось Y являются мгновенными координатами центра цапфы вала, которые характеризуются параметрами Z₁,Z₄ эллиптической траектории цапфы и связаны между собой и с величинами , и ε системой уравнений: tgε Z₁² + Z₂² A² Z₃² + Z₄² B² (1) (a₁₁ + a₄₁) Z₁ + (a₁₂ + a₄₂) Z₂ + (a₁₃ + a₄₃)Z₃+ (a₁₄ +a ₄₄) Z₄ 0, где a_ij коэффициенты уравнения, характеризующие динамические свойства системы вал-опоры.

Решая с помощью ЭВМ систему уравнений (1), находят параметры траектории цапфы.

Решая систему уравнений (2) 2P_нп + где Р_д центробежная сила от дисбаланса;
Р_нп сила от накопленной погрешности шага зацепления или погрешности шага лопаток;
ϕ угол между силами Р_д и Р_нп, определяют значение неуравновешенных сил Р_д и Р_нп и угол ϕ между ними.

После установки контрольного груза производят второй пуск механизма и находят новые значения силы Р_д1 и угла ϕ₁ значение Р_нп не изменяется). Затем определяют силу от действия контрольного груза =- при работе механизма и углы между векторами и а также и , необходимые для расчета величины и угла установки корректирующих масс. Устанавливают корректирующие массы и делают очередной пуск. При пуске механизма с установленными рассчитанными корректирующими массами повторно проводят все операции и определяют новые значения сил Р_д, угла ϕ между силами Р_д и Р_нп, величины и угла установки корректирующих масс. В результате расчетов определяют, выполняются ли условия, при которых ось цапфы имеет обратную прецессию:
2 и < ϕ < Если эти условия не выполняются, ось цапфы имеет прямую прецессию, операции по уравновешиванию повторяют до появления обратной прецессии.

Направление прецессии оси каждой цапфы можно определить по величине фазового угла между векторами перемещений, который, в свою очередь, можно определить по фазовому углу между сигналами двух преобразователей (1) перемещений. При прямой прецессии фазовый угол между век- торами перемещений < ε < , при обратной прецессии < ε < . Для упрощения и ускорения процесса уравновешивания по предлагаемому способу на экране осциллографа или дисплее ЭВМ визуализируют траекторию движения каждой цапфы, вводят с датчика 2 опорного сигнала на визуализированную траекторию светящуюся метку и определяют направление прецессии оси каждой цапфы визуально по движению точек траектории относительно метки, соответствующей опорному сигналу.

Формула изобретения

1. СПОСОБ БАЛАНСИРОВКИ ЗУБЧАТЫХ И РОТОРНЫХ МЕХАНИЗМОВ, заключающийся в том, что определяют траекторию движения цапф каждого из валов с установленными на них зубчатыми колесами или облопаченными дисками с помощью датчика опорного сигнала и двух преобразователей перемещения, оси чувствительности которых ориентируют во взаимно перпендикулярных направлениях, по параметрам траектории определяют неуравновешанные силы от дисбаланса и накопленной погрешности шага зацепления или шага лопаток и угол между ними, по которым определяют корректирующие массы, отличающийся тем, что определяют направление прецессии оси каждой цапфы, а уравновешивание зубчатых колес и облопаченных дисков производят до возникновения обратной прецессии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что направление прецессии оси каждой цапфы определяют по фазовому углу между сигналами преобразователей перемещения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что визуализируют траекторию движения каждой цапфы и определяют направление прецессии оси цапфы по движению точек траектории относительно соответствующей опорному сигналу метки на траектории.

РИСУНКИ

Рисунок 1