Ви є тут

Влияние автобалансирующих устройств на износ шлифовальных кругов и качество обрабатываемой поверхности

Автор: 
Пашкова Людмила Александровна
Тип роботи: 
кандидатская
Рік: 
1999
Кількість сторінок: 
126
Артикул:
1000243911
179 грн
Додати в кошик

Вміст

3
9
9
13
17
17
31
32
44
48
48
59
59
64
69
69
85
91
92
99
Содержание
1.
1.1.
1.2.
2.
2.1.
2.2.
2.2.1
22.2
3.
3.1.
3.2.
32.1
32.2 4.
4.1.
4.2
Введение
Уравнения движения механических систем с автобалансирующими устройствами
Уравнения движения системы с неподвижной обрабатываемой поверхностью Уравнения движения системы в случае подвижного обрабатываемого тела
Динамика ручной шлифовальной машины при неподвижной обрабатываемой поверхности
Движение шпинделя при наличии АБУ и без него при различных взаимных положениях центра масс и центра наружной поверхности шлифовального круга Износ шлифовального круга Износ шлифовального круга при отсугствии АБУ Износ шлифовального круга при наличии АБУ Динамика ручной шлифовальной машины в случае подвижного обрабатываемого тела Движение шпинделя и обрабатываемой поверхности при различных взаимных положениях центра масс и центра наружной поверхности шлифовального круга Износ шлифовального круга
Износ шлифовального круга в случае отсутствия АБУ Износ шлифовального круга при наличии АБУ Экспериментальные исследования и производственные испытания Движение оси шпинделя, износ шлифовального круга и качество обрабатываемой поверхности при неподвижной обрабатываемой поверхности Движение оси шпинделя, износ шлифовального круга и качество обрабатываемой поверхности при подвижной обрабатываемой поверхности Заключение
Список использованных источников и литературы Приложения
ВВЕДЕНИЕ
Наличие вибрации машин и приборов приводит не только к интенсивному износу их деталей (например, подшипников), снижает точность исполнения возложенных на них функций, но и является иногда причиной аварий. Вибрация оказывает вредное воздействие и на человека: вызывает быстрое утомление, снижает его работоспособность, а при длительном воздействии может привести к поражению отдельных систем организма, появлению вибрационной болезни, которая в нашей стране занимает одно из первых мест среди профессиональных заболеваний [65]. Например, известно, что наиболее распространённым и эффективным средством механизации слесарных работ являются ручные пневматически е шлифовальные машины [56, 62, 60], обладающие высокой экономической эффективностью, надёжностью в работе, простотой конструкции, мобильностью, высокой удельной мощностью. Согласно статистике, приведённой в работе [66], ручными машинами пользуются около 9 млн. человек. Однако преимущества пневматических шлифовальных машин могут быть сведены к минимуму из-за повышенной вибрации, возникающей при их работе. По данным многих исследований известно, что до 20-40% ручных машин, находящихся в эксплуатации, являются виброопасными. Актуальность этой проблемы возрастает в связи с форсированием рабочих параметров ручного механизированного инструмента по скорости, мощности и удельным нагрузкам.
Причиной вибрации чаще всего являются вращающиеся неуравновешенные тела (роторы). Современные методы и средства балансировки вращающихся роторов позволяют уравновешивать их с достаточной гочностью[26, 13, 76]. Однако в некоторых случаях первоначальная балансировка в процессе работы машины нарушается и не удовлетворяет предъявляемым требованиям [10, 11, 3, 6, 22]. Так, например, разбалансировка шлифовальных кругов происходит из-за неравномерного их износа, неправильного хранения, неравномерной пропитки шлифовального круга охлаждающей жидкостью на станках [6,14,10,77]. Неуравновешенность круга вызывает погрешность формы изделия, ухудшение чистоты обработки поверхности, а в ручных шлифовальных машинах - вибрацию корпуса, которая передаётся на руки оператора.
В последние годы в нашей стране и за рубежом наблюдается интенсивное развитие теории и практики балансировочной техники [64, 66, 67, 65, 68, 70, 71, 72, 73], что обеспечивает возможность увеличения скорости, точности, надёжности и ресурса различных машин и приборов. Несмотря на то, что общество ведущих специалистов - балансировщиков России понесло за последнее десятилетие
з
большие потери в связи с экономической обстановкой, тем не менее, работа по дальнейшему развитию методов и средств балансировки, их распространению и внедрение в производство, продолжается, т.к. очевидно, что без этой работы практически невозможно сделать продукцию России конкурентно-способной на мировом рынке из-за недостаточной надёжности и низкого качества.
Все изложенное позволяет сделать вывод о необходимости дальнейшего развития автобалансирующих устройств.
В насюящее время известны АБУ со свободным перемещением корректирующих масс (пассивные) и с принудительным (активные) [26]. Те и другие имеют свои преимущества и недостатки: пассивные АБУ проще активных по конструкции, однако они балансируют только в определённом диапазоне угловой скорости ротора, тогда как активные - вссрежимны, но сложность системы измерения дисбаланса и корректировки масс снижает их надёжность и ограничивает применение.
В основе активных автобалансирующих устройств лежат следующие методы построения систем управления исполнительными уравновешивающими механизмами:
*
• случайный поиск положений корректирующих масс;
• задание траектории движения корректирующих масс;
• направленное перемещение корректирующих масс [26,14, 22, 3].
Система управления, основанная на методе случайного поиска (разработана и исследована Растригиным JI.A. [5]) обеспечивает балансировку на любых скоростях. Недостаток её в том, что в силу случайного поиска время уравновешивания ротора непостоянно и может быть сравнительно большим. Кроме того, в процессе балансировки дисбаланс ротора временно может увеличиваться, что не всегда допустимо на практике.
Автобалансирующие устройства с заданной траекторией перемещения корректирующих масс были разработаны Горбуновым Б.И., Гусевым В.Г., Суторми-ным В.И. и другими [14, 21]. Использование этих устройств в шлифовальных станках позволило эффективно снижать режимное изменение дисбалансов рото-«. ров.
Устройства с направленным перемещением корректирующих масс, исследованные в работах Генкина М.Д., Гусарова A.A., Шаталова К.Т., Сусанина В.И., Гринкевича В.К. [9, 22], являются системами автоматического регулирования и содержат чувствительный элемент, определяющий угол и величину дисбаланса в результате учета динамических свойств балансируемого ротора; исполнительный
4
механизм, обеспечивающий перемещение корректирующих масс; усилительнопреобразовательное и программное устройства. Эти ЛБУ балансируют ротор на всех режимах вращения, но сложны конструктивно.
Анализ автобалансирующих устройств активного типа показал, что самым ненадёжным звеном в их конструкциях является исполнила!ьный механизм кор-рекгировки масс. Тем не менее, эти устройства займут определенное место в системе устройств автоматической балансировки, не вытесняя АБУ пассивного типа, на анализе которых остановимся более подробно.
В настоящее время известны два типа автобалансирующих устройств пассивного типа: механические и жидкостные.
В жидкостных пассивных АБУ в качестве корректирующей массы используется жидкость. Принцип их действия близок к принципу действия механических АБУ: при частоте вращения выше критической жидкость, перемещаясь по камере, занимает такое положение, при котором центр масс всей системы приближается к оси вращения, т.е.. система балансируется. Силы сцепления жидкости со стенками камеры малы по сравнению с силами трения в контакте шар - беговая дорожка или кольцо - вал ротора в механических АБУ, поэтому в жидкостных АБУ нет ограничений по точности балансировки, но, тем не менее, они не дают пол ною уравновеш и вания.
В первых жидкостных АБУ для корректировки использовали тяжёлую жидкость - ртуть. Так, например, для гашения усилий, передаваемых на опоры при вращении неуравновешенного ротора в 1913 году французский инженер Леблан [3] предложил устройство, которое состоит из жёстко соединённой с корпусом экстрактора цилиндрической камеры и, частично заполняющей её жидкости -ртути. Один из недостатков этого устройства - увеличение дисбаланса системы на докритичесих частотах вращения, что ухудшало переход через резонанс. Для устранения этого недостатка в верхней части конического корпуса экстрактора были выполнены отверстия для удаления отжимаемой жидкости, которая, попадая в обойму, используется как корректирующая масса, т.е. специальной корректирующей жидкости в обойме нет. Отжимаемая жидкость попадает в обойму только при частоте вращения большей, чем критическая, за счет специально рассчитанного угла наклона конуса экстрактора, поэтому это устройство не увеличивает дисбаланс системы на докритических частотах...
Автоматическую балансировку на всех частотах вращения ротора обеспечивает АБУ Дункан [3]. Однако, конструкция этого АБУ такова, что эффективность балансировки зависит от плотности корректирующей жидкости, а так как применение ртути, имеющей высокую плотность, было запрещено, то это устройство
не получило широкого применения на практике. ЛБУ Дункан может быть применено для роторов с вертикальной осью вращения.
Жидкостное ЛБУ Сирля [3] также балансирует ротор как на докритических, так и на закритических частотах вращения и также может быть установлено только на вертикальных валах. В нём учтено изменение угла между вектором прогиба вала и вектором дисбаланса: на докритических частотах жидкость из питающей обоймы посту пает в специальный отсек сосуда, смещённого относительно вектора прогиба вала на 180° в «лёгкое» место ротора, а на закритических частотах - в отсек, совпадающий с вектором прогиба вала, т.е. вновь в «лёгкое» место. Позднее это ЛБУ было усовершенствовано: устранён механический контакт между неподвижными и вращающимися частями, что повысило точность балансировки; предусмотрена возможность возврата жидкости в распределительную ёмкость после остановки ротора, что сделало устройство более компактным; осуществлена не только статическая, но и динамическая балансировка за счёт двух плоскостей коррекции [63]. Однако все эти ЛБУ оказались по конструкции значительно сложнее жидкостного ЛБУ Леблана. Работы [49, 58] посвящены усовершенствованию именно этого АБУ: установлены причины малой эффективности балансировки, разработано многокамерное устройство, обеспечивающее высокую эффективность балансировки.
В механических АБУ в качестве корректирующих масс, свободно перемещающихся относительно ротора, используются кольца, маятники, ролики, шары и комбинации этих тел [7,17,18].
Первым балансирующим устройством пассивного типа можно считать устройство для балансировки центробежной машины. Предложено оно было в 1887 году А. Феско и состояло из трёх колец, свободно навешенных на валу [7]. В 1914 году Г. Лелеярд предложил располагать вблизи дисбаланса ротора два кольца. Это устройство позволяло сбалансировать ротор при частоте вращения выше критической. Недостатками этого АБУ являются громоздкость конструкции и дополнительный момент, возникающий из-за того, что кольца расположены в разных плоскостях и вызывающий дополнительные реакции в опорах, а так же ограниченная силами трения в контакте кольцо-вал точность балансировки.
Маятниковое механическое АБУ состоит из нескольких маятников, которые поворачиваю гея относительно оси вала ротора на величину, большую, чем эксцентриситет центра масс системы [17].Такой способ балансировки оказался недостаточно эффективным, причём маятники увеличивают дисбаланс системы при частоте вращения ниже критической и ухудшают условия перехода через критическую скорость.
В 1930 году Сирлем было предложено шаровое АБУ, которое с тех пор привлекает наибольшее внимание исследователей [3]. Оно состояло из цилиндрической обоймы, в которой помещались два стальных шара. При вращении ротора со скоростью большей, чем критическая, шары автоматически занимали положение, уравновешивающее вращающуюся систему. При частотах вращения ниже критической - шары устанавливались таким образом, что увеличивали дисбаланс, системы и ухудшали условия перехода через резонанс.
Для устранения этого недостатка Сирл цилиндрическую обойму составил из двух участков - конического и цилиндрического. В конической части были равномерно размещены шесть шаров, прижатых друг к другу. При частоте вращения ниже критической шары, находясь в конической части, не вносили дополнительного дисбаланса, а при частоте большей, чем критическая шары поднимались по конической части в цилиндрическую и занимали такое положение, при котором система становилась сбалансированной. Установив в конической части рёбра, которые разделяли шары, Самаров Н.Г. и Даглин Э.Г. получили АБУ для балансировки вертикальных валов [20].
Не вносят дополнительного дисбаланса на частоте вращения ниже критической и АБУ с магнитом [19], который настроен таким образом, что при докрити-ческой частоте вращения ротора удерживает шары через дополнительный элемент (втулкой с отверстиями [19] или пластиной [20]), а при достижении ротором частоты вращения выше критической - освобождает шары...
Па протяжении многих лет пассивные механические АБУ исследовались и совершенствовались:
•были определены условия устойчивого относительного равновесия корректирующих масс - колец, маятников, шаров [ 1,2,3,4,7,15,36];
•определены положения шаров относительно ротора и найдены условия устойчивости этих режимов для двух, трёх и п шаров;
•найдены причины, ограничивающие точность балансировки (наличие трения в контакте шаров с беговой дорожкой [26,3,17,30], погрешность изготовления беговой дорожки [24,31 ]);
•разработана методика расчёта ёмкости, т.е. необходимых конструктивных параметров шаровых АБУ [34,37,45,60];
•решены задачи автоматического устранения моментной и динамической неуравновешенности ротора [27,28,29];
• найдены условия балансировки двухроторных систем и роторов с несколькими степенями свободы [39,40,16].
7
В настоящей диссертационной работе ставились задачи: изучить влияние автобалансирующего устройства, установленного на шпиндель ручной шлифовальной пневматической машины, на характер износа шлифовального круга, производительность обработки и качество обрабатываемой поверхности жёсткой конструкции; исследовать динамику движения оси шпинделя с АБУ в случае обработки поверхности тела, упруго установленного на неподвижном основании.
Основные положения, выдвигаемые для защиты:
• закон движения оси ручной шлифовальной машины с АБУ и без него при обработке подвижной поверхности;
• закон износа шлифовального крута при различных соотношениях частоты вращения шпинделя и собственной частоты системы с АБУ и без него;
• влияние АБУ на уровни виброскоростей ручной шлифовальной машины, долговечность кругов и качество обрабатываемой поверхности как при обработке неподвижных, так и упруго установленных на основании изделий.
Данная работа выполнялась в рамках исследований, проводимых на кафедре теоретической механики и сопротивления материалов ТПУ по теме «Автоматическая балансировка роторов приборов и машин», которая включена в план научно-технической программы «Надёжность» в раздел 11.05.НЗ «Разработка методов уравновешивания вращающихся и поступательно движущихся деталей машин и оборудования, включая методы автоматической балансировки в процессе эксплуатации» и в целевую региональную программу «Неотложные меры по улучшению условий и охраны труда в Кемеровской области на 1998 г.» (договор 4-3-24, заказчик - Кузбасский межотраслевой центр охраны труда).
8
1 УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С АВ ГОВЛЛАНСИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ
Известно, что на производстве ручные шлифовальные машины используются не только для обработки неподвижных поверхностей, но и в тех случаях, когда имеет место колебание части конструкции. Например, при обработке конструкций малой толщины и большой площади (таких как, крылья или капот автомобиля). При обработке как подвижных, так и неподвижных поверхностей абразивным кругом ручной шлифовальной машины, корпус машины вибрирует, причём вибрация обусловлена не только дисбалансом круга, но и кинематическим возбуждением, возникающим из-за наличия смещения геометрического центра круга относительно оси вращения шпинделя. Поэтому необходимо решить следующие вопросы: при каком режиме следует выполнять балансировку (на холостом ходу или под нагрузкой); как при рабочем и холостом режимах влияет автоматическая балансировка диска на вибрацию корпуса; каким образом влияет автоматическая балансировка на износ круга, производительность обработки и качество обрабатываемой поверхности в случаях, когда обрабатываемая поверхность неподвижна и когда подвижна. Кроме того, можно задаться вопросом: может быть следует жёсткую деталь устанавливать на упругие опоры с целью получения желаемых вибрационных параметров, чистоты обрабатываемой поверхности, долговечности крут. Для решения этих вопросов необходимо составить уравнения движения оси шпинделя шлифовальной машины для выше перечисленных случаев.
1.1 УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ РУЧНОЙ ШЛИФОВАЛЬНОЙ МАШИНЫ С АВТОБАЛАНСИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ ПРИ НЕПОДВИЖНОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Модель ручной шлифовальной машины с шаровым автобалансирующим устройством предегавлена на рисунке 1.1. Руки оператора представлены упругими элементами 6, оси которых направлены по двум взаимноперпендикулярным направлениям - вертикальному и горизонтальному. Полагаем, что шлифовальный диск 3, насаженный на шпиндель 2, совершает плоское движение, а корпус машины 1 и, соответственно, ось шпинделя движутся поступательно. На шпиндель установлена цилиндрическая обойма 4, в которую
9
\ \\\Чх\
помещены не менее двух шаров 5, имеющих возможность свободно переме щаться по внутренней поверхности обоймы.
1 -корпус машины; 2 -шпиндель; 3 - шлифовальный круг; 4 - цилиндрическая обойма; 5 - шары, 6 - упругие элементы
Рисунок 1.1
Рисунок 1.2
10