Комплект лабораторного оборудования для изучения процессов динамической балансировки и самоцентрирования быстровращающихся тел
Полезная модель относится к обучающей системе по исследованию процессов уравновешивания быстровращающихся частей машин, устранения дисбаланса, а именно, к разработанному в рамках этой системы для технических вузов, комплекту оборудования для лабораторного практикума по исследованию динамической балансировки и самоцентрирования быстровращающихся тел.
Задачей полезной модели является обеспечение системного подхода к образованию учащегося, основанного на представлении современной картины в области динамического уравновешивания быстровращающихся тел, устранения дисбаланса, а также обучение в наглядной форме (визуализация) основам процесса динамической балансировки и самоцентрирования быстровращающихся тел с компьютерной обработкой результатов исследований на основе корреляционного и статистического анализа процессов.
Решение поставленной задачи достигается путем создания комплекта лабораторного оборудования для изучения процессов динамической балансировки и самоцентрирования быстровращающихся тел, включающий в себя два блочных модуля, каждый из которых выполнен в виде установки с открытой компоновкой элементов для визуализации исследуемых процессов, с компьютерной регистрацией и обработкой экспериментальных данных, причем, одна установка выполнена с возможностью перераспределения несбалансированной массы балансируемого тела в автоматическом уравновешивающем устройстве, а другая - с возможностью удаления несбалансированной массы с балансируемого тела. При этом комплект имеет общие для обоих модулей установок пульт управления, блок питания, стробоскоп, видеокамеру, персональный компьютер, проектор и индикатор, кроме этого видеокамера подключена через один из входов персонального компьютера к проектору, а блок питания через пульт управления связан соответствующим образом с элементами первого и второго блочного модуля. При этом установка первого модуля, выполненная с возможностью перераспределения несбалансированной массы балансируемого тела, дополнительно содержит основание с электроприводом, имеющим упругий подвес, демпфирование, балансируемый ротор с автоматическим уравновешивающим устройством и датчик вибраций, закрепленный на корпусе электропривода, причем, выход датчика вибраций через согласующее устройство, состоящее из блока синхронизации, блока преобразования и аналого-цифрового преобразователя, соединен со вторым входом персонального компьютера, кроме того, первый вход блока преобразования связан с датчиком вибраций, второй вход - с блоком синхронизации, а один из выходов соединен со стробоскопом, второй - с блоком
синхронизации, третий - с индикатором и аналого-цифровым преобразователем, при этом, блок питания через пульт управления связан с электроприводом и блоком синхронизации. В свою очередь установка второго модуля, выполненная с возможностью удаления несбалансированной массы, дополнительно содержит станок с лазерным излучателем и наблюдательной системой, накопитель энергии, блок охлаждения, блок энергетический, блок формирования импульсов, состоящий из блоков преобразования и синхронизации, и электронную балансировочную машину, в состав которой входят балансируемый ротор, закрепленный на опорах с помощью магнитных направляющих и приводимый во вращение электродвигателем с помощью резинового кольца, причем, опоры соединены с датчиками вибраций, выходы которых через блок формирования импульсов связаны с накопителем энергии, стробоскопом, индикатором и вторым входом персонального компьютера, кроме того, блок питания через пульт управления связан с электродвигателем, наблюдательной системой и накопителем энергии, который имеет связь с излучателем, блоком охлаждения и блоком энергетическим, комплект лабораторного оборудования для изучения процессов динамической балансировки и самоцентрирования быстровращающихся тел, включающий в себя два блочных модуля, каждый из которых выполнен в виде установки с открытой компоновкой элементов для обеспечения возможности визуализации исследуемых процессов, а также с компьютерной регистрацией и обработкой экспериментальных данных, причем, динамическая балансировка в первой установке производится путем перераспределения несбалансированной массы в АУУ, а во второй установке - путем удаления несбалансированной массы с помощью лазерного излучения;3 ил.
Предлагаемая полезная модель позволяет на современном научно-техническом уровне, в наглядной форме, с использованием знаний, полученных при изучении таких дисциплин, как математика, физика, информатика и др., обеспечить изучение студентами процесса динамической балансировки быстровращающихся тел с использованием различных подходов к решению данной задачи в наглядной и доступной форме.
Полезная модель относится к обучающей системе по исследованию процессов уравновешивания быстровращающихся частей машин, устранения дисбаланса, а именно, к разработанному в рамках этой системы для технических вузов, комплекту оборудования для лабораторного практикума по исследованию динамической балансировки и самоцентрирования быстровращающихся тел.
Известны устройства, применяемые для исследования процессов динамической балансировки и самоцентрирования быстровращающихся тел, такие как:
- машина для динамической балансировки (см. патент Японии №5-13251, опубл. 22.02.1993);
- автоматические лазерные балансировочные машины (см. работу А.К.Скворчевский «Автоматизация и современные технологии», изд. М.: 2000 г., №1, стр.9-21);
- шариковые и жидкостные автоматические уравновешивающие устройства (АУУ) (см. работу Диментберг Ф.Г. и др. «Колебания машин», изд. М.: Машиностроение, 1964 г., 307 с.).
Использование вышеуказанных устройств в качестве оборудования для обучающей системы затруднено в виду отсутствия визуализации исследуемого процесса, возможности математического моделирования процессов динамической балансировки и сопоставления теоретических и экспериментальных результатов.
Задачей полезной модели является обеспечение системного подхода к образованию учащегося, основанного на представлении современной картины в области динамического уравновешивания быстровращающихся тел, устранения дисбаланса, а также обучение в наглядной форме (визуализация) основам процесса динамической балансировки и самоцентрирования быстровращающихся тел с компьютерной обработкой результатов исследований на основе корреляционного и статистического анализа процессов.
Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается комплект лабораторного оборудования для изучения процессов динамической балансировки и самоцентрирования быстровращающихся тел, включающий в себя два блочных модуля, каждый из которых выполнен в виде установки с открытой компоновкой элементов для визуализации исследуемых процессов, с компьютерной регистрацией и обработкой экспериментальных данных, причем, одна установка выполнена с возможностью перераспределения несбалансированной массы балансируемого тела в автоматическом уравновешивающем устройстве, а другая - с возможностью удаления несбалансированной массы с балансируемого тела. При этом комплект имеет общие для обоих модулей установок пульт управления, блок питания, стробоскоп, видеокамеру, персональный компьютер,
проектор и индикатор, кроме этого видеокамера подключена через один из входов персонального компьютера к проектору, а блок питания соединен с пультом управления. При этом установка первого модуля, выполненная с возможностью перераспределения несбалансированной массы балансируемого тела, дополнительно содержит основание с электроприводом, имеющим упругий подвес, демпфирование, балансируемый ротор с автоматическим уравновешивающим устройством, с помощью которого происходит перераспределение несбалансированной массы, и датчик вибраций, закрепленный на корпусе электропривода, причем, выход датчика вибраций через согласующее устройство, состоящее из блока синхронизации, блока преобразования и аналого-цифрового преобразователя, соединен со вторым входом персонального компьютера, кроме того, первый вход блока преобразования связан с датчиком вибраций, второй вход - с блоком синхронизации, а один из выходов соединен со стробоскопом, второй - с блоком синхронизации, третий - с индикатором и аналого-цифровым преобразователем, при этом, блок питания через пульт управления связан с электроприводом и блоком синхронизации. В свою очередь установка второго модуля, выполненная с возможностью удаления несбалансированной массы, дополнительно содержит станок с лазерным излучателем, который удаляет несбалансированную массу, и наблюдательной системой, накопитель энергии, блок охлаждения, блок энергетический, блок формирования импульсов, состоящий из блоков преобразования и синхронизации, и электронную балансировочную машину, в состав которой входят балансируемый ротор, закрепленный на опорах с помощью магнитных направляющих и приводимый во вращение электродвигателем с помощью резинового кольца, причем, опоры соединены с датчиками вибраций, выходы которых через блок формирования импульсов связаны с накопителем энергии, стробоскопом, индикатором и вторым входом персонального компьютера, кроме того, блок питания через пульт управления связан с электродвигателем, наблюдательной системой и накопителем энергии, который имеет связь с излучателем, блоком охлаждения и блоком энергетическим, комплект лабораторного оборудования для изучения процессов динамической балансировки и самоцентрирования быстровращающихся тел, включающий в себя два блочных модуля, каждый из которых выполнен в виде установки с открытой компоновкой элементов для обеспечения возможности визуализации исследуемых процессов, а также с компьютерной регистрацией и обработкой экспериментальных данных, причем, динамическая балансировка в первой установке производится путем перераспределения несбалансированной массы в АУУ, а во второй установке - путем удаления несбалансированной массы с помощью лазерного излучения.
Полезная модель поясняется следующими схемами:
Фиг.1 - Функциональная схема установки для динамической балансировки вращающихся тел с автоматическими уравновешивающими устройствами;
Фиг.2 - Вид сверху на автоматическое уравновешивающее устройство с двумя шариками;
Фиг.3 - Функциональная схема установки для лазерной динамической балансировки.
Цель первой по порядку работы состоит в изучении движения несбалансированного твердого тела в упругом подвесе, явления самоцентрирования и динамической балансировки быстровращающихся тел (роторов) с помощью шарикового автоматического уравновешивающего устройства (АУУ), овладении навыками работы со стробоскопом и правилами обработки результатов измерений.
Для проведения этой работы используется первый блочный модуль, содержащий электропривод с балансируемым ротором, АУУ, стробоскоп, согласующее устройство, видеокамера, персональный компьютер и проектор (см. фиг.1).
Описание лабораторной установки и последовательность проведения измерений.
На основании 1 установлен электропривод с балансируемым ротором 2, причем на роторе закреплено АУУ 3, а сам электропривод имеет упругий подвес 4 и устройства демпфирования 5. На электроприводе закреплен датчик вибраций 6. Для определения места положения несбалансированной массы на роторе на основании 1 установлен стробоскоп 7, а для визуализации процесса динамической балансировки здесь же установлена видеокамера 8, электрически связанная с проектором 9 через персональный компьютер (ПК) 10. Кроме того, через согласующее устройство 11, в состав которого входят блок синхронизации 12, блок преобразования 13 и аналого-цифровой преобразователь 14, сигналы с датчика вибраций 6 поступают на ПК 10. Наличие дисбаланса можно видеть на индикаторе 15, а его численное значение определяется после обработки результатов на ПК. Питание всех элементов схемы осуществляется через пульт управления 16 от блока питания 17.
Последовательность проведения измерений сводится к следующему. На первом этапе производится анализ спектральной характеристики колебаний балансируемого ротора в упругом подвесе и изучение явления самоцентрирования. Для чего из АУУ удаляются тарированные балансировочные грузики, в качестве которых используются шарики. Регулятор скорости вращения электропривода на пульте управления ставится на максимальное значение. Затем включаются последовательно: блок питания, ПК и электропривод. Производится запись показаний с датчика вибраций через согласующее устройство на ПК в течение 10 секунд. Питание электропривода отключается. Результаты опытов обрабатываются в ПК, а затем с помощью проектора демонстрируются в виде графиков и таблиц.
На втором этапе производится изучение процесса самобалансировки ротора с АУУ. Для этого в АУУ устанавливают два шарика. Регулятор скорости вращения электропривода на пульте управления ставится на максимальное значение. Включаются последовательно ПК, блок питания, стробоскоп, видеокамера, проектор и электропривод. Производится запись показаний с датчика вибраций в течение 10 секунд с одновременным съемом визуальной информации о процессе
балансировки ротора с АУУ при помощи стробоскопа, видеокамера и ПК. Питание электропривода отключается. Видеоизображение и результаты статистического и спектрального анализа выводятся на экран.
Затем в АУУ устанавливаются поочередно четыре и восемь балансировочных шариков и проводят аналогичные опыты. Результаты всех опытов обрабатываются в ПК, а затем с помощью проектора демонстрируются в виде изображений распределения балансировочных шариков, графиков и таблиц.
На третьем этапе производится определение величины и места положения дисбаланса на роторе при различном количестве балансировочных шариков в АУУ. На фиг.2 изображен вид сверху на АУУ с двумя балансировочными шариками. В корпусе 18 АУУ установлены два шарика 19, а также закреплен технологический винт 20. Внутренний диаметр корпуса 18 АУУ D=2R, диаметр шариков dш и масса шариков m заданы.
Также как и на втором этапе последовательно включаются ПК, блок питания, стробоскоп, видеокамера, проектор и электропривод. С помощью видеокамеры визуализируется картина, качественно представленная на фиг.2. С помощью градусной масштабной сетки программным путем в ПК определяются углы 
1 и 2 положения шариков относительно прямой I-I, а затем и угол g положения места несбалансированной массы (прямая II-II, которая в общем случае не совпадает с I-I):
.
Величина дебаланса mgl, углов 1, и 2 определяется из следующего соотношения (см. Диментберг Ф.Г., Шаталов К.Т., Гусаров А.А. Колебания машин. - M.: Машиностроение, 1964. - 307 с.):
.
Затем в АУУ устанавливаются поочередно четыре и восемь шариков и производятся опыты, соответственно для четырех и восьми шариков. Результаты всех опытов обрабатываются в ПК и с помощью проектора демонстрируются в виде изображения шариков в АУУ, графиков и таблиц. В заключение делается вывод о качестве балансировки с помощью двух, четырех и восьми шариков, а величины углов установившегося положения шариков относительно ротора сравниваются с величиной углов полученных расчетным путем.
Целью второй работы является изучение процесса динамической балансировки твердых тел путем удаления (испарения) несбалансированной массы с помощью автоматической лазерной балансировочной машины (АЛБМ), входящей в состав второго блочного модуля (см. фиг.3).
Описание лабораторной установки и последовательность проведения измерений
Импульс излучения генерируется лазером излучателя 21 расположенного на станке 22 АЛБМ. Для питания лампы накачки излучателя служит блок питания с накопителем энергии 23. Нормальный температурный режим излучателя 21 поддерживается с помощью блока охлаждения 24. Балансируемый ротор 25 устанавливается на опоры 26 электронной балансировочной машины (ЭБМ) с помощью магнитных направляющих 27 и вращается посредством резинового кольца 28 электродвигателем 29 ЭБМ. Излучение фокусируется на нужное место балансируемого ротора 25 с помощью оптической фокусирующей системы излучателя 21 и включается излучение по сигналам датчиков вибраций 30 и 31 блоком формирования импульсов, в состав которого входят блоки преобразования 32 и синхронизации 33. С блока формирования импульсов сигналы поступают на стробоскоп 7 и через накопитель энергии 23 на блок энергетический 34. Для визуализации процесса балансировки используется видеокамера 8 и проектор 9, связанный с персональным компьютером 10. Величину дисбаланса можно наблюдать на индикаторе 15, а питание всех элементов схемы осуществляется через пульт управления 16 от блока питания 17. Так как динамическая балансировка ротора производится в двух плоскостях исправления 1-1 и II-II, то для точного наведения излучателя 21 на нужную плоскость используется наблюдательная система 35, закрепленная в одном кронштейне с оптической системой излучателя на корпусе станка 22.
Последовательность измерений сводится к следующему.
На первом этапе выбирается плоскость исправления с наибольшим дисбалансом на роторе. Для этого включают блок питания 17, устанавливают балансируемый ротор 25 на опоры 26, перекинув через него резиновое кольцо 28, передающее вращение ротору от электродвигателя 29. Поставить положение тумблера «плоскость исправления» на пульте управления в положение «I-I», включить электродвигатель и снять показания вибродатчиков 30 и 31 с индикатора 15. Поставить тумблер «Плоскость исправления» в нейтральное положение и дождаться когда балансируемый ротор остановится. Далее этот же тумблер поставит в положение «II-II», повторить измерения и снять показания вибродатчиков 30 и 31 с индикатора 15.
На втором этапе производится непосредственно сам процесс динамической балансировки. Для этого производится выбор стороны с наибольшим дисбалансом на основании результатов, полученных на предыдущем этапе. Перемещением координатного стола (на чертеже не показан) ЭБМ совмещается выбранная плоскость исправления ротора с перекрестием наблюдательной системы. При этом добиваются резкого изображения выбранного участка ротора в окуляре наблюдательной системы. Переводят тумблер «Плоскость исправления» на пульте управления 16 в выбранное положение. Затем последовательно включают блок охлаждения, лазерный излучатель АЛБМ и на накопителе энергии 23 устанавливают заданное напряжение, включают ПК, видеокамеру и проектор. Включают электродвигатель и регулировочным потенциометром на пульте
управления добиваются максимальных показаний индикатора 15 путем изменения частоты вращения электродвигателя 29. Нажимается кнопка запуска импульса излучения и одновременно производится запись показаний датчиков вибраций на ПК и контроль показаний индикатора после каждого импульса излучения в течение 1-2 секунд. При этом добиваются уменьшения дисбаланса, при необходимости смещая ротор при помощи регулировочного винта перемещения координатного стола ЭБМ на величину диаметра светового пятна с излучателя лазера. Выключают питание излучателя и двигателя.
На третьем этапе производится аналогичным образом балансировка ротора в другой плоскости исправления.
Второй и третий этапы повторяются поочередно до получения необходимого дисбаланса ротора, затем АЛБМ отключается. Результаты опытов обрабатываются в ПК, а затем с помощью проектора демонстрируются в виде графиков и таблиц.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет на современном научно-техническом уровне, в наглядной форме, с использованием знаний, полученных при изучении таких дисциплин, как математика, физика, информатика и др., обеспечить изучение студентами процесса динамической балансировки быстровращающихся тел с использованием различных подходов к решению данной задачи в наглядной и доступной форме.
1. Комплект лабораторного оборудования для изучения процессов динамической балансировки и самоцентрирования быстровращающихся тел, включающий в себя два блочных модуля, каждый из которых выполнен в виде установки с открытой компоновкой элементов для визуализации исследуемых процессов, с компьютерной регистрацией и обработкой экспериментальных данных, причем одна установка выполнена с возможностью перераспределения несбалансированной массы балансируемого тела в автоматическом уравновешивающем устройстве, а другая - с возможностью удаления несбалансированной массы с балансируемого тела.
2. Комплект по п.1, который имеет для обоих модулей установок общие пульт управления, блок питания, стробоскоп, видеокамеру, персональный компьютер, проектор и индикатор, кроме этого видеокамера подключена через один из входов персонального компьютера к проектору, а блок питания соединен с пультом управления.
3. Комплект по п.1 или 2, в котором установка первого модуля, выполненная с возможностью перераспределения несбалансированной массы балансируемого тела, дополнительно содержит основание с электроприводом, имеющим упругий подвес, устройство демпфирования, балансируемый ротор с автоматическим уравновешивающим устройством и датчик вибраций, закрепленный на корпусе электропривода, причем выход датчика вибраций через согласующее устройство, состоящее из блока синхронизации, блока преобразования и аналого-цифрового преобразователя, соединен со вторым входом персонального компьютера, при этом первый вход блока преобразования связан с датчиком вибраций, второй вход - с блоком синхронизации, а один из выходов соединен со стробоскопом, второй выход - с блоком синхронизации, третий выход - с индикатором и аналого-цифровым преобразователем, при этом блок питания через пульт управления связан с электроприводом и блоком синхронизации.
4. Комплект по п.1 или 2, в котором установка второго модуля, выполненная с возможностью удаления несбалансированной массы, дополнительно содержит станок с лазерным излучателем и наблюдательной системой, накопитель энергии, блок охлаждения, блок энергетический, блок формирования импульсов, состоящий из блоков преобразования и синхронизации, и электронную балансировочную машину, в состав которой входят балансируемый ротор, закрепленный на опорах с помощью магнитных направляющих и приводимый во вращение электродвигателем с помощью резинового кольца, причем опоры соединены с датчиками вибраций, выходы которых через блок формирования импульсов связаны с накопителем энергии, стробоскопом, индикатором и вторым входом персонального компьютера, кроме того, блок питания через пульт управления связан с электродвигателем, наблюдательной системой и накопителем энергии, который имеет связь с излучателем, блоком охлаждения и блоком энергетическим.
