Балансировка деталей и узлов. Как динамическая балансировка способна увеличить ресурс работы двигателя Динамическая балансировка вращающихся деталей своими руками

При вращении деталей и узлов, работающих на больших ско­ростях, возникают неуравновешенные центробежные силы, созда­ющие добавочную нагрузку на детали и опоры. В результате по­являются вибрации, вызывающие преждевременный износ и по­ломки. Дисбаланс (неуравновешенность) детали возникает вслед­ствие несимметричного размещения массы относительно оси вра­щения при отклонении ее размеров от заданных по чертежу, раз­ной плотности металла в отдельных частях детали и сложности формы детали. Дисбаланс детали оценивают величиной момента неуравновешенной массы относительно оси вращения.

Величина центробежной силы, вызывающей вибрацию, опре­деляется следующим образом:

где m - неуравновешенная масса; ω - угловая скорость вращения детали, рад/сек; Q - вес вращающейся детали, Н; q - ускорение силы тяжести, см/сек2 (м/сек2); r - величина смещения центра тяже­сти детали, см (м); n - частота вращения детали в секунду, об/сек.

Статическая балансировка. Статическая балансировка деталей производится на призмах или роликах. Если деталь, имеющую дис­баланс, установить на призмы или ролики, то под влиянием веса неуравновешенной массы создается крутящий момент М k = Q 1 r 1 стремящийся повернуть деталь до тех пор, пока утяжеленная ее сто­рона с весом неуравновешенной массы Q 1 не займет нижнее поло­жение. Величину веса уравновешивающего груза Q 2 и расстояние его r 2 от оси вращения подбирают таким образом, чтобы соблюда­лось равенство:

Q 1 r 1 = Q 2 r 2 откуда: Q 2 = Q 1 r 1 / r 2, (68)

Практическое устранение дисбаланса производится удале­нием эквивалентного количества металла с утяжеленной сторо­ны сверлением, фрезерованием, шабрением, опиловкой или прикреплением корректирующего груза, что, впрочем, встреча­ется редко.

Точность балансировки деталей на призмах зависит от силы трения, возникающей между призмами и шейками валов или оп­равок, на которых устанавливаются проверяемые детали. Поэто­му для повышения точности балансировки необходимо рабочие поверхности призм и шейки оправок подвергать закалке до высо­кой твердости HRC 50-56 и чистовому шлифованию. Рабочую длину призм берут в пределах (2-2,5)πD, где D - диаметр шейки оправки в см.

При статической балансировке на роликах применяемые роли­ковые устройства снабжены шариковыми или роликовыми под­шипниками. Процесс статической балансировки на вращающихся роликах производится так же, как и на призмах. Точность балан­сировки на роликах зависит от отношения dID (рис.42). Чем меньше это отношение, тем точнее балансировка.

В зависимости от массы балансируемых деталей применяются следующие размеры роликов: при массе до 250 кг D = 100 мм l = до 40 мм;

при массе до 1 500 кг D = 150 мм l = до 70 мм.

Статической балансировке подвергают детали, имеющие не­большую длину и относительно большой диаметр: шкивы, маховики, диски сцепления.

Рис.42 . Схема статической балансировки на роликах

Рис.43 . Динамическая неуравновешиваемость

Динамическая балансировка. Для деталей, длина которых зна­чительно превышает диаметр (коленчатые и карданные валы), применяют динамическую балансировку. Если деталь, статически отбалансированную грузами Q 1 и Q 2 (рис.43), расположенными диаметрально противоположно, вращать вокруг оси, то по ее кон­цам возникнут две противоположно направленные центробежные силы I 1 и I 2 , образующие пару сил. Эти центробежные силы стре­мятся вывести деталь из ее опор, нагружая их и вызывая возмож­ность появления вибраций. Величина динамической неуравнове­шенности будет тем больше, чем больше длина плеча возмущаю­щей пары сил.

Для динамической уравновешенности детали необходимо в точ­ках, противоположных участкам размещения грузов Q 1 и Q 2 уста­новить равные им грузы Q 1 ’ и Q 2 ’. Деталь можно уравновесить и гру­зами G 1 и G 2 установленными в любой плоскости, перпендикуляр­ной оси вала, при том условии, что моменты центробежных сил, возникающих от этих грузов в процессе вращения детали, будут равны моментам центробежных сил J 1 , и J 2 , образующихся от гру­зов Q 1 и Q 2 .

Таким образом, динамическая балансировка заключается в со­здании дополнительной пары сил при помощи уравновешиваю­щих грузов. Из сказанного следует, что в таких деталях, как шки­вы, диски сцепления, маховики, не может быть большого плеча пары сил, поэтому их динамическая неуравновешенность меньше статической. Вследствие же большого диаметра статическая не­уравновешенность этих деталей может быть значительной, поче­му они и подвергаются этому виду балансировки. И наоборот, для коленчатых и карданных валов гораздо большее значение имеет динамическая неуравновешенность. Динамическая балансировка деталей выполняется на специальных станках, выпускаемых про­мышленностью.

Такие крупные детали, как шкивы, маховики, роторы и воз­духодувы, вращающиеся с большими скоростями, должны быть хорошо уравновешены во избежание биения, вибрации, наруше­ния центровки и повышения нагрузки на опорные детали. Разли­чают три вида неуравновешенности:

Неуравновешенность, вызываемая смещением центра тяжести детали относительно оси вращения, при которой сила инер­ции приводится к одной равнодействующей центробежной силе. Такая неуравновешенность характерна для деталей с не­значительной осевой длиной по сравнению с диаметром (ма­ховики, шкивы, зубчатые колеса) и устраняется статической (одноплоскостной) балансировкой;

Неуравновешенность, при которой силы инерции приводятся к равнодействующей паре сил, создающей центробежный момент инерции относительно оси вращения;

Неуравновешенность, при которой силы инерции приводятся

К равнодействующей силе и к паре сил.

Второй и третий виды неуравновешенности характерны для деталей, имеющих значительную длину по сравнению с диамет­ром (роторы) и устраняются динамической (двухплоскостной) балансировкой.

Считают, что допустимое смещение центра тяжести равно

Частному от деления 2-10 на квадрат частоты вращения детали.

Статическая или силовая балансировка основана на исполь­зовании статического неуравновешенного момента, под действием которого деталь поворачивается до тех пор, пока наиболее тяжелая часть окажется вертикально под осью вращения детали и появится возможность осуществить балансировку путем установки допол­нительных грузов на диаметрально противоположной стороне де­тали или путем облегчения наиболее тяжелой части детали. Стати­ческую балансировку выполняют путем установки детали на приз­мах, вращающихся опорах, весах или непосредственно на месте установки детали. Иногда деталь предварительно закрепляют на оправке. Балансировочные призмы, изготовленные с большой точ­ностью из закаленной стали, устанавливают на балансировочном устройстве параллельно и горизонтально с точностью до 0,02 мм/м. Процесс балансировки состоит из двух операций.

Первая операция заключается в устранении основного дис­баланса. Для этого окружность торца балансируемой детали де­лят на 6-8 частей и, поворачивая деталь на призмах на 45°, каж­дый раз находят и отмечают нижнюю точку, т. е. наиболее тяже­лую часть. Если при этом нижнее положение будет занимать одна и та же точка, то через нее проводят диаметр и, подбирая груз на его противоположном конце, компенсируют дисбаланс, т. е. дости­гают безразличного равновесия. Грузом может служить замазка или небольшие кусочки металла, приклеиваемые к детали. Затем временные грузы заменяют постоянными, прочно закрепляя их к детали в нужном месте, и контролируют правильность баланси­ровки. Иногда, наоборот, утяжеленные части детали облегчают, высверливая небольшие углубления.

Вторая операция заключается в определении остаточного дисбаланса вследствие наличия сил трения между призмами и оправкой или устранении так называемой невыявленной неурав­новешенности. При этом на каждом из размеченных делений по­очередно в горизонтальной плоскости фиксируют грузики в точ­ках, одинаково удаленных от центра, пока деталь не начнет вра­щаться на призмах. Массы пробных грузиков заносят в таблицу, и на ее основании строят кривую, фиксирующую крайние точки, ко­торые соответствуют наибольшей разности грузов (рис. 7.16). Низшая точка кривой соответствует наиболее тяжелому месту детали. Окончательно уравновешивающий груз необходимо ус­тановить в диаметрально противоположном месте. Величину гру­за определяют по формуле

Q (^макс -

Где Q - величина груза; Амакс и Аиин - соответственно максимальная и минимальная масса грузов, расположенных на одном диаметре.

Дополнительный груз закрепляют на детали в месте, соот­ветствующем высшей точке кривой, и делают окончательную проверку, определяя остаточную неуравновешенность. Допусти­мая величина статической неуравновешенности зависит от кон­струкции машины и режима ее работы. Точность статической балансировки на призмах позволяет обнаружить остаточное сме­щение центра тяжести детали от оси вращения на 0,03-0,05 мм, а на балансировочных весах до 5 мкм.

Динамическую бачансировку выполняют на машиностроитель­ных заводах, так как в условиях монтажа и ремонта в мастерских предприятий молочной промышленности ее трудно осуществить.

Посуда вошла в нашу жизнь и обыденность ещё с древних времен, но её покупка и продажа является до сих пор актуальна. За счет высокого качества керамики и длительности эксплуатации, посуда …

Автоматизированная система инструментального обес­печения - система взаимосвязанных элементов, включающая участки подготовки инструмента, его транспортирования, накоп­ления, устройства смены и контроля качества инструмента, обес­печивающие подготовку, хранение, автоматическую установку и замену инструмента. АСИО …

Взаимоотношения при выполнении ремонтно-обслуживаю - щих работ зависят от структуры производственно-технических связей между владельцами техники и предприятиями техниче­ского сервиса, от взаимоотношений последних с заводами-изго­товителями. Развитие коммерческого технического сервиса должна быть …

Балансировка деталей

К атегория:

Слесарно-механосборочные работы

Балансировка деталей

Неуравновешенность деталей выражается в том, что деталь, например шкив, посаженный на вал, шейки которого свободно вращаются в подшипниках, стремится после вращения остановиться в одном определенном положении. Это указывает на то, что в нижней части шкива сосредоточено большее количество металла, чем в его верхней части, т. е. центр тяжести шкива не совпадает с осью вращения.

Ниже рассмотрен неуравновешенный диск, посаженный на вал, который вращается в подшипниках. Пусть его неуравновешенность относительно оси вращения выражается массой груза Р (темный кружок). Неуравновешенность диска заставляет его останавливаться всегда так, чтобы груз Р занимал самое низкое положение. Если к диску на противоположной стороне и на том же расстоянии от оси, что и темный кру-Жок, прикрепим груз такой же массы (заштрихованный кРУжок), то это уравновесит диск. В этом случае говорят, что Диск уравновешен относительно оси вращения.

Рис. 1. Схемы определения неуравновешенности деталей: а - короткой, 6 - длинной, в - балансировка шкива на призмах, г - машина для динамической балансировки

Рассмотрим деталь, у которой длина больше диаметра. Если ее уравновесить только относительно оси вращения, то возникает сила, которая стремится повернуть продольную ось детали против часовой стрелки и тем самым дополнительно нагружает подшипники. Чтобы избежать этого, уравновешивающий груз располагают на расстоянии от силы.

Сила, с которой действует неуравновешенная вращающаяся масса, зависит от величины этой неуравновешенной массы, расстояния ее от оси, от квадрата числа оборотов ее. Следовательно, чем выше скорость вращения детали, тем сильнее оказывается ее неуравновешенность.

При значительных скоростях вращения неуравновешенные детали вызывают вибрацию детали и машины в целом, в результате чего подшипники быстро изнашиваются, а в некоторых случаях машина может разрушиться. Поэтому детали машин, вращающиеся с большой скоростью, должны быть тщательно отбалансированы.

Существует два вида балансировки: статическая и динамическая.

Статическая балансировка может уравновешивать деталь относительно ее оси вращения, но не может устранить действие сил, стремящихся повернуть продольную ось изделия. Статическую балансировку производят на ножах или призмах, роликах. Ножи, призмы и ролики должны быть калеными и шлифованными и перед балансировкой выверены на горизонтальность.

Операцию балансировки выполняют следующим образом. На ободе шкива предварительно наносят мелом черту. Вращение шкива повторяют 3 - 4 раза. Если меловая черта будет останавливаться в разных положениях, то это будет указывать на то, что шкив отбалансирован правильно. Если меловая черта каждый раз будет останавливаться в одном положении, то это значит, что часть шкива, находящаяся внизу, тяжелее противоположной. Чтобы устранить это, уменьшают массу тяжелой части высверливанием отверстий или увеличивают массу противоположной части обода шкива, высверлив отверстия, а затем залив их свинцом.

Динамическая балансировка устраняет оба вида неуравновешенности. Динамической балансировке подвергают быстроходные детали со значительным отношением длины к диаметру (роторы турбин, генераторов, электродвигателей, быстровращающиеся шпиндели станков, коленчатые валы автомобильных и авиационных двигателей и т. д.).

Динамическую балансировку производят на специальных станках высококвалифицированные рабочие. При динамической балансировке определяют величину и положение массы, которые нужно приложить к детали или отнять от нее, чтобы деталь оказалась уравновешенной статически и динамически.

Центробежные силы и моменты инерции, вызванные вращением неуравновешенной детали, создают колебательные движения из-за упругой податливости опор. Причем колебания их пропорциональны величине неуравновешенных центробежных сил, действующих на опоры. На этом принципе основана балансировка деталей и сборочных единиц машин.

Динамическая балансировка выполняется на электрических автоматизированных балансировочных станках. Они в интервале 1-2 мин выдают данные: глубину и диаметр сверления, массу грузов, размеры контргрузов и места, где необходимо закрепить и снять грузы. Кроме того, выполняется регистрация колебаний опор, на которых вращается уравновешенная сборочная единица, с точностью до 1 мм.

Маховики, шкивы и различные летали, вращающиеся g большими окружными скоростями, должны быть уравновешенными (отбалансированными), иначе машины, в которые входят эти детали, будут работать с вибрациями. Это отрицательно сказывается на работе механизмов оборудования и машины в целом.

Неуравновешенность деталей возникает из-за неоднородности материала, из которого они изготовляются; отклонений в размерах, допущенных при их изготовлении и ремонте; различных деформаций, полученных в результате термообработки; от различной массы крепежных деталей и т.д. Устранение неуравновешенности (дисбаланса) осуществляется балансировкой, которая является ответственной технологической операцией.

Существуют два способа балансировки: статическая и динамическая. Статическая балансировка - это уравновешивание деталей в неподвижном состоянии на специальных приспособлениях - ножевых направляющих, роликах и др.

Динамическая балансировка, предельно уменьшающая вибрации, производится при быстром вращении детали на специальных станках.

Статической балансировке подвергают ряд деталей (шкивы, кольца, гребные винты и др.) На рис. 1, а изображен диск, центр тяжести которого находится на расстоянии е от геометрического центра О. При вращении образуется неуравновешенная центробежная сила Q.

Опорные заостренные, чисто обработанные и закаленные поверхности ножей выверяют линейкой и уровнем на горизонтальность с точностью 0,05-0,1 мм на длине 1000 мм.

Уравновешиваемую деталь надевают на оправку, концы которой должны быть одинакового, притом возможно меньшего диаметра. Это существенное условие повышения чувствительности балансировки без ущерба для жесткости установки оправки с деталью на ножах. Балансировка состоит в следующем: деталь с оправкой слегка подталкивают и дают ей возможность свободно остановиться, ее более тяжелая часть после остановки всегда займет нижнее положение.

Балансируют деталь одним из двух способов: или облегчают ее тяжелую часть высверливанием или вырубанием из нее лишнего металла, либо утяжеляют диаметрально противоположную часть.

Рис. 1. Схемы балансировки деталей:
а - статическая, б - динамическая

На рис. 1, б дана схема динамической неуравновешенности детали: центр тяжести может находиться далеко от ее середины, в точке А. Тогда при вращении на повышенной скорости масса дисбаланса будет создавать момент, опрокидывающий деталь, образуя вибрации и повышенные нагрузки на подшипнике. Для уравновешивания нужно установить добавочный груз в точке А’ (или высверлить массу дисбаланса в точке А). При этом масса дисбаланса и добавочного груза образуют пару центробежных сил, параллельных, но противоположно направленных - Q и - Q, с плечом L, при котором опрокидывающий момент ликвидируется (уравновешивается).

Динамическую балансировку выполняют на специальных станках. Деталь устанавливают на упругие опоры и присоединяют к приводу. Частоту вращения доводят до такого значения, чтобы система вошла в резонанс, что позволяет заметить область колебаний. Для определения уравновешенной силы закрепляют на детали грузы, подбираемые так, чтобы образовалась противоположная сила и, следовательно, противоположно направленный момент.

При больших скоростях вращения даже незначительная неуравновешенная масса детали относительно оси вращения может явиться причиной появления значительной неуравновешенной центробежной силы, вызывающей дополнительную динамическую нагрузку на подшипники, что приводит к преждевременному износу деталей. Неуравновешенные центробежные силы являются одной из главных причин вибрации гидропередачи, которая представляет собой весьма вредное явление.

Статическая балансировка. Показателем статической уравновешенности детали является способность ее сохранять состояние покоя в любом положении на горизонтальных направляющих. Балансируемую деталь устанавливают таким образом, чтобы неуравновешенная масса Я (рис. 41) располагалась в горизонтальной плоскости, проходящей через ось балансируемой детали. На противоположной стороне детали прикрепляют груз п, при котором неуравновешенная масса Я могла бы сообщить балансируемой детали поворот на небольшой угол. Затем поворачивают балансируемую деталь в том же направлении на 180°, т. е. в такое положение, чтобы груз п и масса Я оказались бы снова в горизонтальной плоскости. В этом случае масса Я перевесит и изделие будет стремиться повернуться в обратном направлении. Далее подбирают добавочный груз Р к грузу так, чтобы балансируемое изделие оставалось в том положении, в какое его ставят.

Если статическая балансировка выполняется на призмах качения, то возникающие силы трения в точках опоры

Рис. 41. Схема статической балансировки детали препятствуют перекатыванию детали. Точность балансировки зависит от соотношения вращающего момента, создаваемого неуравновешенной массой, и момента сил трения в точках опоры.

Динамическая балансировка. Вращающиеся части гидропередачи, имеющие форму роторов, хотя и уравновешенные статически, могут иметь дисбаланс, который способствует износу шеек валов и подшипников, а также появлению вибраций, могущих привести к разрушению деталей. Неуравновешенные массы создают центробежные силы. Независимо от места расположения в роторе (например, вал в сборе с насосными колесами) неуравновешенных масс, их величины и количества суммарное действие сводится к двум силам, действующим на опоры, разным по величине и направлению. Эти силы вызывают колебания подшипников, а через них и корпусов гидропередачи.

Для динамической балансировки используют станки Минского станкостроительного завода. Устранение неуравновешенности осуществляется высверливанием или снятием металла в технологически предусмотренных местах (плоскостях исправления).

Задачами динамического уравновешивания являются выбор плоскости корректирования неуравновешенных масс и определение величины и положения приведенных неуравновешенных масс в этих плоскостях.

Простейшее устройство для динамического уравновешивания представляет собой две упругие подшипниковые опоры (рис. 42, а). Одну из опор с помощью соответствующих приспособлений при уравновешивании запирают, а другой дают возможность свободно колебаться в вертикальной плоскости, и при прохождении резонанса измеряют размах колебаний этой опоры. Разделив окружность одного из колес на восемь равных частей и пронумеровав их (рис. 42, б), устанавливают поочередно в каждом из пронумерованных мест (на одинаковом радиусе) пробный груз и измеряют размах резонансных колебаний при каждой установке пробного груза.

Результаты измерений записывают и наносят в системе прямоугольных координат кривую (рис. 42, в), по которой судят о положении и величине уравновешивающего груза. Наиболее низкая точка полученной кривой (точка К) определяет собой место расположения уравно-

Рис. 42, Схема динамического уравновешивания вешивакяцего груза. Путем нескольких попыток изменения груза в данной точке определяется масса уравновешивающего груза.

Уравновесив деталь в одной плоскости, аналогичным образом поступают при ее балансировке в другой плоскости. Установка уравновешивающего груза на другой стороне вызывает нарушение уравновешенности первой стороны. Поэтому производится повторная проверка с установкой необходимого дополнительного корректировочного груза, который бы компенсировал нарушение уравновешенности.

Одной из причин снижения ресурса работы двигателя является вибрации возникающие в результате дисбаланса его вращающихся деталей, а именно коленвала, маховика, корзины сцепления и т.д. Ни для кого не секрет чем грозят эти вибрации. Это и повышенный износ деталей, и крайне некомфортная эксплуатация мотора, и худшая динамика, и повышенный расход топлива, и проч., и проч. Все эти страсти уже не раз обсуждались и в печати и на просторах сети – не будем повторяться. Поговорим лучше об оборудовании для балансировки, но сначала давайте коротко разберем, что же такое этот дисбаланс, и каких видов он бывает, а потом рассмотрим как с ним бороться.

Для начала, давайте определимся, зачем вообще вводить понятие дисбаланса, ведь причиной вибраций являются силы инерции, возникающие при вращении и неравномерном поступательном движении деталей. Может быть лучше оперировать величинами этих сил? Перевел их в килограммы «для ясности» и вроде бы понятно куда, что и с каким усилием давит, сколько кило приходится на какую опору… Но дело-то в том, что величина силы инерции зависит от частоты вращения, точнее от квадрата частоты или ускорения при поступательном движении, а это в отличие от массы и радиуса вращения, величины переменные. Таким образом использовать силу инерции при балансировке просто неудобно, придется каждый раз пересчитывать эти самые килограммы в зависимости от квадрата частоты. Судите сами, для вращательного движения сила инерции:

m – неуравновешенная масса;
r – радиус ее вращения;
w – угловая скорость вращения в рад/с;
n – частота вращения в об/мин.

Не высшая математика, конечно, но пересчитывать лишний раз не хочется. Вот поэтому и ввели понятие дисбаланса, как произведения неуравновешенной массы на расстояние до нее от оси вращения:

D – дисбаланс в г мм;
m – неуравновешенная масса в граммах;
r – расстояние от оси вращения до этой массы в мм.

Измеряют эту величину в единицах массы умноженных на единицу длины, а именно в г мм (часто в г см). Я специально акцентирую внимание на единицах измерения, поскольку на просторах мировой сети, да и в печати, в многочисленных статьях посвященных балансировке, чего только не встретишь… Тут и граммы деленные на сантиметры, и определение дисбаланса в граммах (не умноженных ни на что, просто граммы и всё, что хочешь, то и думай), и аналогии с единицами измерения крутящего момента (похоже вроде – кг м, а тут г мм…, но физический смысл-то совершенно другой…). В общем, будем внимательны!

Итак, первый вид дисбаланса – статический или, еще говорят, статическая неуравновешенность. Такой дисбаланс возникнет, если на вал точно напротив его центра масс поместить какой-нибудь груз, и это будет равноценно параллельному смещению главной центральной оси инерции 1 относительно оси вращения вала. Нетрудно догадаться, что такая неуравновешенность характерна дискообразным роторам2, маховикам например, или шлифовальным кругам. Устранить этот дисбаланс можно на специальных приспособлениях – ножах или призмах. Тяжелая сторона3 под действием силы тяжести будет поворачивать ротор. Заметив это место, можно простым подбором на противоположную сторону установить такой груз, который приведет систему к равновесию. Однако процесс этот довольно длительный и кропотливый, поэтому устранять статический дисбаланс все-таки лучше на балансировочных станках – и быстрее и точнее, но об этом ниже.

Второй тип дисбаланса – моментный. Такую неуравновешенность можно вызвать, прилепив на края ротора пару одинаковых грузов под углом 180° друг к другу. Таким образом, центр масс хоть и останется на оси вращения, но главная центральная ось инерции отклонится на некоторый угол. Чем примечателен такой вид дисбаланса? Ведь на первый взгляд, в «природе» его можно встретить разве что по «счастливой» случайности… Коварство такой неуравновешенности заключается в том, что она проявляется только при вращении вала. Положите ротор с моментным дисбалансом на ножи, и он будет находиться в полном покое, сколько бы раз его не перекладывали. Однако стоит раскрутить его, так тут же появится сильнейшая вибрация. Устранить подобную неуравновешенность можно только на балансировочном станке.

И наконец, самый общий случай – динамическая неуравновешенность. Такой дисбаланс характеризуется смещением главной центральной оси инерции как по углу так и по месту относительно оси вращения ротора. То есть, центр масс смещается относительно оси вращения вала, а вместе с ним и главная центральная ось инерции. При этом она еще и отклоняется на некоторый угол так, что не пересекает ось вращения4. Именно такой вид дисбаланса встречается чаще всего, и именно его так привычно устраняют нам в шиномонтажах при смене резины. Но если в шиномонтаж мы все как один едем по весне и осени, то почему же оставляем без внимания детали двигателя?

Простой вопрос: после шлифовки коленвала в ремонтный размер или, того хуже, после его рихтовки, можно быть уверенным в том, что главная центральная ось инерции в точности совпадает с геометрической осью вращения коленвала? А второй раз разбирать-собирать мотор время и желание есть?

Итак, в том, что балансировать валы, маховики и проч. нужно, сомнений нет. Следующий вопрос – как балансировать?

Как уже упоминалось при статической балансировке можно обойтись ножами-призмами, если есть достаточное количество времени, терпения, и поля допусков на остаточный дисбаланс велики. Если Вы цените рабочее время, заботитесь о репутации своей компании или просто беспокоитесь о ресурсе деталей своего мотора, то единственный вариант балансировки – это специализированный станок.

И такой станок есть – машина для динамической балансировки модели «Liberator» производства фирмы «Hines» (США), прошу любить и жаловать!

Этот доресонансный станок предназначен для определения и устранения дисбаланса коленчатых валов, маховиков, корзин сцепления и проч.

Весь процесс устранения дисбаланса можно условно поделить на три части: подготовка станка к работе, измерение дисбаланса и устранение дисбаланса.

На первом этапе необходимо установить вал на неподвижные опоры станка, присоединить к торцу вала датчик, который будет отслеживать положение и частоту вращения вала, накинуть приводной ремень, с помощью которого вал будет раскручиваться в процессе балансировки и ввести в компьютер размеры вала, координаты положения и радиусы поверхностей коррекции, выбрать единицы измерения дисбаланса и проч. Кстати, в следующий раз, заново, все это вводить не придется, поскольку есть возможность сохранить в памяти компьютера все введенные данные, ровно, как и есть возможность их в любой момент стереть, изменить, перезаписать, или изменить на время без сохранения. Короче говоря, поскольку компьютер станка работает под операционной системой Windows XP, то и все приемы работы с ним будут вполне привычными для обычного пользователя. Впрочем, и для неискушенного в компьютерных делах механика не будет чем-то уж очень сложным освоить несколько экранных меню программы балансировки, тем более, что сама программа очень наглядна и интуитивно понятна.

Сам процесс измерения дисбаланса происходит без участия оператора. Ему остается только нажать нужную кнопку и дождаться, когда вал начнет вращаться, а потом сам остановится. После этого на экране будет выведено все необходимое для устранения дисбаланса, а именно: величины и углы дисбалансов для обеих плоскостей коррекции, а также глубины и количество сверлений, которые необходимо сделать, чтобы этот дисбаланс устранить. Глубины отверстий выводятся, разумеется, исходя из введенного ранее диаметра сверла и материала вала. Кстати, эти данные выводятся для двух плоскостей коррекции, если была выбрана динамическая балансировка. При статической балансировке, естественно, будет выведено всё то же самое, только для одной плоскости.

Теперь остается только просверлить предложенные отверстия, не снимая вал с опор. Для этого позади расположен сверлильный станок, который может перемещаться на воздушной подушке вдоль всей станины. Глубину сверлений в зависимости от комплектации можно контролировать либо по цифровому индикатору перемещения шпинделя, либо по графическому отображению выводимому на монитор компьютера. Этот же станок можно использовать при сверлении или фрезеровании, например, шатунов при развесовке. Для этого нужно просто развернуть суппорт на 180°, чтобы он оказался над специальным столом. Стол этот может перемещаться в двух направлениях (стол поставляется как дополнительное оборудование).

Здесь остается только добавить, что при расчете глубины сверления компьютер учитывает даже конус заточки сверла.

После устранения дисбаланса нужно снова повторить измерения, чтобы удостовериться, что остаточный дисбаланс в пределах допустимых значений.

Кстати, об остаточном дисбалансе или, как иногда говорят, допуске на балансировку. Практически каждый производитель моторов в инструкциях по ремонту деталей должен давать величины остаточного дисбаланса. Однако если эти данные не удалось найти, то можно воспользоваться общими рекомендациями. И отечественный ГОСТ и общемировой стандарт ISO предлагает, в общем-то, одно и то же.

Сначала нужно определиться к какому классу относится ваш ротор, а потом по таблице приведенной ниже узнать для него класс точности балансировки. Предположим, что мы балансируем коленчатый вал. Из таблицы следует, что «узел коленчатого вала двигателя с шестью и более цилиндрами со специальными требованиями» имеет 5 класс точности по ГОСТ 22061-76. Предположим, что наш вал имеет ну совсем специальные требования – усложним задачу и отнесем его к четвертому классу точности.

Далее, приняв максимальную частоту вращения нашего вала равной 6000 об/мин, по графику определяем, что величина eст. (удельный дисбаланс) находится в пределах заключенных между двумя прямыми, определяющими поле допуска для четвертого класса, и равна от 4 до 10 мкм.

Теперь по формуле:

D ст.доп. – допустимый остаточный дисбаланс;
e ст. – табличное значение удельного дисбаланса;
m ротора – масса ротора;

стараясь не путаться в единицах измерения и приняв массу вала равной 10 кг, получим, что допустимый остаточный дисбаланс нашего коленчатого вала не должен превышать 40 – 100 г мм. Но это относится ко всему валу, а станок нам показывает дисбаланс в двух плоскостях. Значит, на каждой опоре, при условии, что центр масс вала находится точно посередине между корректирующими плоскостями, допустимый остаточный дисбаланс на каждой опоре не должен превышать 20 – 50 г мм.

Просто для сравнения: допустимый дисбаланс коленвала двигателя Д-240/243/245 при массе вала в 38 кг, по требованиям производителя не должен превышать 30 г см. Помните, я обращал внимание на единицы измерения? Этот дисбаланс указан в г см, а значит он равен 300 г мм, что в разы больше рассчитанного нами. Однако ничего удивительного – вал тяжелее того, что мы взяли для примера, да и вращается с меньшей частотой… Просчитайте в обратную сторону и увидите, что класс точности балансировки тот же, что и в нашем примере.

Здесь же следует отметить, что строго говоря, допустимый дисбаланс рассчитывается по формуле:

D ст.т. – значение главного вектора технологических дисбалансов изделия, возникающих в результате сборки ротора, из-за монтажа деталей (шкивов, полумуфт, подшипников, вентиляторов и т.д.), которые имеют собственные дисбалансы, вследствие отклонения формы и расположения поверхностей и посадочных мест, радиальных зазоров и т.д.;
D ст.э. – значение главного вектора эксплуатационных дисбалансов изделия, возникающих из-за неравномерности износа, релаксации, выжигания, кавитации деталей ротора и т.п. за заданный технический ресурс или до ремонта, предусматривающего балансировку.

Звучит жутковато, но как показала практика в большинстве случаев, если выбирать значение удельного дисбаланса по нижней границе класса точности (при этом удельный дисбаланс в 2.5 раза меньше удельного дисбаланса, определенного для верхней границы класса), то главный вектор допустимого дисбаланса можно вычислять по формуле приведенной выше, по которой мы собственно и считали. Таким образом, в нашем примере все-таки лучше принять допустимый остаточный дисбаланс равным 20 г мм для каждой плоскости коррекции.

Тем более что предложенный станок, в отличие от древних отечественных аналоговых станков, чудом сохранившихся после всем известных печальных событий в нашей стране, такую точность запросто обеспечит.

Ну, хорошо, а что с маховиком и корзиной сцепления? Обычно, после того как отбалансировали коленвал, к нему присоединяют маховик, переводят станок в режим статической балансировки и устраняют дисбаланс только маховика, считая коленвал идеально сбалансированным. В этом методе есть один большой плюс: если маховик и корзину сцепления после балансировки не отсоединять от вала и не менять эти детали никогда, то сбалансированный таким образом узел будет иметь неуравновешенность меньшую, чем если бы балансировалась каждая деталь по отдельности. Если же хочется все-таки уравновесить маховик отдельно от вала, то для этого в комплектации станка существуют специальные, практически идеально уравновешенные, валы для балансировки маховиков.

У обоих методов, разумеется, есть свои плюсы и минусы. В первом случае, при замене любой из деталей участвующих ранее в балансировке в сборе, неизбежно появится дисбаланс. Но и с другой стороны, если уравновешивать все детали по отдельности, то и допуск на остаточный дисбаланс каждой детали придется серьезно ужесточить, что приведет к большим затратам времени на балансировку.

Несмотря на то, что все описанные выше операции по измерению и устранению дисбаланса на данном станке реализованы очень удобно, позволяют сэкономить массу времени, страхуют от возможных ошибок, связанных с пресловутым «человеческим фактором» и проч., справедливости ради нужно заметить, что худо-бедно, но и многие другие станки смогут сделать то же самое. Тем более что рассмотренный пример ничего особенно сложного не представлял.

А если придется балансировать вал, скажем, от V8? Задача тоже, в общем-то, не самая сложная, но все-таки это не четверку рядную уравновешивать. Такой вал ведь просто так на станок не поставишь, на шатунные шейки нужно специальные балансировочные грузы вешать.А их масса зависит, во-первых, от массы поршневой группы, то есть массы деталей движущихся исключительно поступательно, во-вторых, от развесовки шатунов, то есть от того какая масса шатуна относится к вращающимся деталям, а какая к поступательно движущимся, ну и наконец, в-третьих, от массы деталей только вращающихся. Можно, конечно, последовательно взвесить все детали, записать данные на листок бумаги, посчитать разницу между массами, потом перепутать какая запись относится к какому поршню или шатуну, и проделать все это еще несколько раз.

А можно воспользоваться системой автоматизированного взвешивания «Compu-Match» предлагаемой в качестве опции. Суть системы проста: электронные весы связаны с компьютером станка, и при последовательном взвешивании деталей таблица данных заполняется автоматически (кстати, ее можно еще и распечатать). Также автоматически находится самая легкая деталь в группе, например, самый легкий поршень, и для каждой детали автоматически определяется масса, которую требуется удалить, чтобы выровнять веса. Никакой путаницы не возникнет и с определением массы верхней и нижней головок шатунов (кстати, все необходимое для развесовки поставляется в комплекте с весами). Компьютер направляет действия оператора, которому просто остается внимательно выполнять инструкции шаг за шагом. После чего компьютер рассчитает массу балансировочных грузов исходя из массы конкретной поршневой и развесовки шатунов. Остается только добавить, что при расчете масс этих грузов учитывается даже масса моторного масла, которое будет находиться в магистралях вала во время работы двигателя. Кстати, разные комплекты грузов можно заказать отдельно. Грузы, разумеется, наборные, то есть на шпильку навешиваются шайбы разной массы и фиксируются гайками.

И еще несколько слов о взвешивании поршневой и развесовке шатунов. В самом начале этой статьи мы заметили, что «одной из причин возникновения вибраций двигателя является дисбаланс его вращающихся деталей…», «одной из…», но далеко не единственной! Конечно многие из них мы «побороть» никак не сможем. Например, неравномерность крутящего момента. Но кое-что все-таки сделать можно. В качестве примера возьмем обычный рядный четырехцилиндровый двигатель. Из курса динамики ДВС всем известно, что силы инерции первого порядка такого мотора полностью уравновешены. Замечательно! Но в расчетах принимается, что массы всех деталей по цилиндрам абсолютно одинаковы и шатуны развесованы безукоризненно. А на самом деле, во время кап. ремонта, кто-нибудь взвешивает поршни, кольца, пальцы, выравнивает массы нижних и верхних головок шатунов? Едва ли…

Конечно, разница в массах деталей вряд ли вызовет большие вибрации, но если есть возможность, хоть немного приблизиться к расчетной схеме, почему бы это не сделать? Особенно если это так просто…

В качестве опции можно заказать комплект приспособлений и оснастки для балансировки карданных валов... Однако постойте, это ведь уже совсем другая история…

* Ось OX называется главной центральной осью инерции тела, если она проходит через центр масс тела и центробежные моменты инерции J xy и J xz одновременно равны нулю. Непонятно? Ничего сложного на самом деле тут нет. Попросту говоря, главная центральная ось инерции это та ось, вокруг которой вся масса тела распределена равномерно. Что значит равномерно? Это значит, что если мысленно выделить какую-нибудь массу вала и помножить ее на расстояние до оси вращения, то точно напротив найдется, может быть, другая масса на другом расстоянии, но имеющая точно такое же произведение, то есть выделенная нами масса будет уравновешена.

Ну что такое центр масс, думаю, ясно и так.

** Роторами в балансировке называют все, что вращается, независимо от формы и размеров.

*** Тяжелой стороной или тяжелым местом ротора обычно называют то место, где расположена неуравновешенная масса.

**** Если главная центральная ось инерции все-таки пересекает ось вращения ротора, то такую неуравновешенность называют квазистатической. Рассматривать ее в контексте статьи нет смысла.

***** Среди прочих классификаций балансировочных станков есть разделение на дорезонансные и зарезонансные. То есть частоты, на которых балансируется вал, могут быть либо ниже резонансной частоты, либо выше резонансной частоты ротора. У вибраций, возникающих во время вращения неуравновешенной детали, есть одна интересная особенность: амплитуда вибраций возрастает очень медленно по мере увеличения частоты вращения. И только вблизи резонансной частоты ротора наблюдается резкое ее увеличение (чем, собственно, и опасен резонанс). На частотах выше резонансной, амплитуда вновь снижается и практически не меняется в очень широком диапазоне. Поэтому, например, на дорезонансных станках нет особого смысла пытаться увеличить частоту вращения вала при балансировке, поскольку амплитуда колебаний, которую фиксируют датчики, будет возрастать крайне незначительно, несмотря на увеличение центробежной силы, порождающей вибрацию.

****** Некоторые станки имеют качающиеся опоры.

******* Поверхность коррекции – то место вала, в котором предполагается сверлить отверстия для устранения дисбаланса.

******** Обратите внимание, удельный дисбаланс указан в микронах. Это не ошибка, здесь речь идет об удельном дисбалансе, то есть отнесенном к единице массы. К тому же индекс «ст.» говорит о том, что это статический дисбаланс, а он может указываться в единицах длины, как расстояние, на которое смещена главная центральная ось инерции вала относительно оси его вращения, см. выше определение статического дисбаланса.

Главная » Бизнес » Балансировка деталей и узлов. Как динамическая балансировка способна увеличить ресурс работы двигателя Динамическая балансировка вращающихся деталей своими руками