Вібрації та автоматичне балансування машин з вертикальною віссю обертання і змінним дисбалансом ротора

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ

Спеціальність 05.02.02 - Машинознавство

УДК 62-752+62-755

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вібрації та автоматичне балансування машин

з вертикальною віссю обертання і змінним дисбалансом ротора

Чоловський Роман Генадійович

Хмельницький - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Технологічному університеті

Поділля (м. Хмельницький) Міністерства освіти України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Ройзман Вілен Петрович,

Технологічний університет Поділля,

завідувач кафедри прикладної механіки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук Зіньковський Анатолій Павлович, Інститут проблем міцності НАН України, старший науковий співробітник;

кандидат технічних наук Нестер Микола Антонович, Національна Академія прикордонних військ України, доцент.

Провідна установа: Запорізький державний технічний університет Міністерства освіти України.

Захист відбудеться " 19 " жовтня 1999 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою: 280016, м.Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпус

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/1).

Автореферат розісланий " 17 " вересня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кіницький Я.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Тенденція до зниження ваги машин і отримання великих потужностей при малих габаритах за рахунок збільшення частот обертання призводить до зростання не-врівноважених сил, появи резонансів у робочій зоні і, як наслідок, до збільшення вібрацій, зниження якості та ресурсу таких машин, незручностей в експлуатації, забруднення шумом навколишнього середовища та до різних професійних захворювань. Ще складніша ситуація в машинах зі змінним дисбалансом ротора. Для таких машин традиційні методи зниження вібрацій малоефективні. Найбільш розповсюдженим методом зниження вібрацій таких машин є автоматичне балансування за допомогою порожнистої камери, частково заповненої робочими тілами (самобалансування). Досвід використання автобалансуючих пристроїв (АБП) вказує на те, що існуюча теорія автоматичного балансування неточно описує процеси, які відбуваються з робочими тілами під час їхньої роботи, і потребує уточнення.

За об'єкти дослідження обрані побутові прально-віджимні машини виробництва країн СНД, для яких проблема зниження вібрацій та шуму, а також забезпечення динамічної міцності деталей та вузлів особливо актуальна і важлива. Ці машини, незважаючи на їх простоту, як об'єкти дослідження представляють особливий інтерес не тільки через складність системи, що коливається, та через постійну присутність на їх роторах випадково розташованого дисбалансу білизни, а й невисокі вимоги до точності виготовлення деталей та зборки, що породжує нестабільність жорсткісних, масових та інерційних характеристик.

Розроблені для таких складних умов методи та засоби забезпечення низької віброактивності машин можуть бути використані не тільки для підвищення якості конструкцій пральних машин, що вже є досить важливим, але і більш складних машин, які використовуються в інших галузях народного господарства.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась у відповідності з держбюджетними темами: 17-89 “Комплексное исследование динамики, разработка и проверка мероприятий по снижению вибраций центрифуг, пылесосов и стиральных машин”, 35-90 “Разработка технических решений по снижению вибраций стиральных машин “Волга””, 4Б-91 “Комплексное исследование динамики и разработка мероприятий по снижению вибраций и шума машин и аппаратов бытового назначения и легкой промышленности”, 9Б-95 “Дослідження процесу автоматичного балансування і його використання в машинобудуванні”, 1Н-97 “Розробка методів та засобів автоматичного балансування роторних машин”.

Метою роботи є розробка методів та засобів дослідження коливань машин з вертикальною віссю обертання і змінним дисбалансом ротора, а також процесу автоматичного балансування (самобалансу-вання) та впровадження результатів досліджень для зниження вібрацій машин.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати наступні задачі:

1) скласти математичні моделі коливань машин з вертикальною віссю обертання ротора та їх дослідження;

2) розробити експериментальні методики та засоби дослідження коливань машин;

3) розробити конструкторсько-технологічні заходи по зниженню вібрацій;

4) розробити експериментальні методики та засоби дослідження поведінки робочих тіл в АБП;

5) впровадити результати теоретичних та експериментальних розробок в конструкції машин для зниження їх вібрацій.

Наукова новизна роботи полягає:

у розробці математичної моделі коливань роторів машин з вертикальною віссю обертання, яка враховуює вплив типів підвісних елементів, розташування та величину дисбалансу та зв'язність коливань по всіх узагальнених координатах, а також у формулюванні на підставі її аналізу вимог до конструкцій машин з низькою віброактивністю;

у виявленні протиріч між існуючою теорією та практикою автоматичного балансування; вібрація коливання машина

у новому підході до пояснення роботи рідинного АБП з врахуванням гідравлічних властивостей рідини, що дозволяє пояснити, чому рідинні та сипкі робочі тіла розташовуються навпроти дисбалансу, як на зарезонансних частотах обертання ротора, так і дорезонансних, і на самому резонансі;

у створенні методу та засобу швидкісної відеозйомки руху робочих тіл в АБП за допомогою сучасної комп'ютерної та відеотехніки;

у створенні способу та засобу вимірювання вібрацій низької частоти та великої амплітуди.

Практична цінність роботи полягає у тому, що результати теоретичних розробок можуть бути використані для проектування машин з низькою віброактивністю та малою зв'язністю коливань, при розрахунках параметрів рідинних АБП, а результати експериментальних розробок - для зниження віброактивності машин зі змінним дисбалансом ротора, для вивчення процесів, які відбуваються з робочими тілами в АБП під час роботи ротора на всьому діапазоні частот обертання. Розробка безжорсткісної діафрагми, нового компонування елементів на платформі машини, комбінованого АБП дало зниження вібрацій машини не менше як в 2,5 рази. Результати роботи впроваджені в НВО ім. Чапаєва (м. Чебоксари).

Особистий внесок здобувача:

запропоновано прилад для вимірювання коливань великої амплітуди та низької частоти;

застосовано комплексний підхід при дослідженні поведінки робочих тіл в АБП, який грунтується на синхронізації процесу вимірювання параметрів вібрацій та відеозйомки;

сконструйовані та виготовлені безжорсткісна діафрагма та підвісні елементи зменшених габаритів.

Особисто автором виявлено протиріччя між теорією та практикою автоматичного балансування, яке полягає у тім, що всупереч теорії, автобалансуючі пристрої знижують вібрації не тільки на зарезонансних частотах обертання, а й на дорезонансних та на резонансних частотах; розроблено та відлагоджено стенд для дослідження поведінки робочих тіл в автобалансуючому пристрої та виготовлено макет АБП із оптично-прозорого матеріалу [1, 8-13].

Автором розроблені та відпрацьовані методики дослідження поведінки робочих тіл в АБП та обробки отриманих матеріалів з використанням ЕОМ [4, 7].

Запропоновано ідею використання закона Паскаля для дослід-ження поведінки рідини в АБП; сконструйовано та виготовлено моделі комбінованих рідинно-кулькових АБП та проведені дослідження по оцінюванню ефективності їх роботи [5, 6, 11].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідалися і отримали позитивну оцінку на науково-технічних конференціях та семінарах: “Пути повышения качества подготовки студентов по механике” (м. Хмельницький, 1990), конференції молодих вчених та студентів (м. Київ, 1995), “Проблеми сучасного машинобудування” (м. Хмельницький, 1996), “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м. Хмельницький, 1997), “Динаміка роторних систем” (м. Кам`янець-Подільський, 1996, 1998), X Всесвітньому Конгресі IFToMM (м. Оулу, Фінляндія, 1999).

Публікації. Результати роботи опубліковано в 12 статтях наукових журналів, є позитивне рішення про видачу патента на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків та списку літератури.

Робота виконана на 119 сторінках машинописного тексту, містить 34 рисунки, 2 таблиці, 2 додатки та список використаних джерел з 112 найменувань. Загальний об'єм дисертації 131 сторінка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, визначено її мету, наведено відомості про наукову новизну та практичну цінність.

В першому розділі проведено аналіз сучасного стану проблеми вимушених коливань роторних машин та зниження їх вібрацій, в тому числі зі змінним дисбалансом ротора, та теорії і практики автоматичного балансування.

На підставі проведеного аналізу літературних джерел та виходячи із поставленої мети, сформульовані задачі роботи.

У другому розділі складено узагальнену математичну модель для машин з вертикальною віссю обертання ротора. Робочий орган представлено у вигляді системи платформа-ротор, яка не деформується,та підвішана до рами машини через довільну кількість підвісок з лінійними пружними характеристиками , що властиве для прально-віджимних машин.

Розглянуто загальний випадок, коли система платформа-ротор має шість ступенів вільності і зв'язність коливань по всіх узагальнених координатах. За узагальнені координати прийнято три декартові координати центра інерції платформи та три кути , , , які задають повороти головних центральних осей платформи а1, в1, с1 відносно нерухомих осей координат X1, Y1, Z1.

На підставі рівнянь Лагранжа 2-го роду отримані диференціальні рівняння коливань, які у матричній формі мають вигляд:

, (1)

де - матриця-стовбець узагальнених координат;

- матриця інерційних коефіцієнтів, яка має вигляд:

; (2)

- матриця жорсткості, яка має вигляд:

; (3)

D - матриця демпфування, яка має структуру, аналогічну матриці К;

G - матриця гіроскопічних коефіцієнтів;

Q - матриця узагальнених силових факторів.

Елементи матриці (2):

[M1] - зведені коефіцієнти мас:

; (4)

[M2], [M3] - статичні моменти мас:

; (5)

[M4] - моменти інерції системи:

. (6)

Eлементи матриці гіроскопічних коефіцієнтів:

. (7)

Eлементи матриці (3):

; (8)

; (9)

. (10)

Чим більші значення позадіагональних елементів в структурі відповідних матриць, тим вища зв'язність коливань, що на практиці ускладнює віброізоляцію машини. Тому бажано перетворити в нуль позадіагональні елементи матриць, тобто розділити коливання по узагальнених координатах. Елементи матриць К і D поділені на три групи. Для матриці К елементи сумарної жорсткості та крутильної жорсткості перетворяться в нуль тоді, коли координатні площини, що містять в собі головні осі інерції ротора, будуть площинами симетрії підвіски системи платформа-ротор. Це справедливо і по відношенню до матриці демпфування D.

Для перетворення в нуль елементів матриці інерційних коефіцієнтів М необхідно, щоб головні центральні осі інерції ротора були головними центральними осями всієї системи платформа-ротор. В загальному випадку узагальнені силові фактори по координатах , , повинні перетворитись в нуль, що і буде означати малу віброактивність системи платформа-ротор. На практиці ця умова виконується частково через випадкове розташування дисбалансу в барабані.

На підставі проведеного аналізу диференціальних рівнянь сформульовано основні вимоги до конструкцій машин з низькою віброактивністю, які полягають у наступному:

суміщення центрів мас частин коливальної системи, що обертаються і тих, що необертаються;

симетричне розташування демпферів та пружних підвісок відносно координатних площин, де лежать головні центральні осі інерції;

мала жорсткість пружних ущільнюючих елементів, які з'єднують ротор та корпус;

платформу слід встановлювати на вертикально розташованих підвісах.

В третьому розділі описано та розроблено методику і засоби для проведення експериментальних досліджень коливань машин з вертикальною віссю обертання зі змінним дисбалансом ротора. За об'єкт досліджень вибрано прально-віджимну машину "Волга-11". Вона представляє собою особливий інтерес: з одного боку, дешева та проста за конструкцією, а з іншого - низька технологія виготовлення та складання дає великий розкид технічних параметрів машин і утворює складну коливальну систему, в якій заздалегідь закладено дисбаланс. Встановлено, що в даній конструкції машини має місце велика зв'зність коливань, резонансна частота складає близько 3 Гц. Все це призводить до того, що при невдалій розкладці білизни неможливо здійснити вихід на режим віджиму.

Виконано експериментальні дослідження та запропоновано комплекс заходів по зниженню вібрацій машини “Волга-11”, виходячи з рекомендацій, викладених у розділі 2.

Для зниження зв'язності коливань і віброактивності машини проведено наступні заходи: встановлено противагу масою 3 кг для сполучення центра мас платформи з віссю обертання барабана; використано пружини однакової жорсткості, що звело центр жорсткості підвісних елементів до осі обертання барабана; для зниження резонансної частоти виготовлено і встановлено діафрагму з гумового матеріалу, яка не має згинальної жорсткості. Побудовані амплітудно-частотні характеристики (АЧХ) роботи машини з врахуванням розроблених конструктивних рішень показали, що резонансна частота коливань знизилась з 3 Гц майже до 2 Гц, а вібрації ротора на резонансі - майже в 1,5 рази.

В четвертому розділі описано експериментальні та теоретичні дослідження поведінки робочих тіл в АБП. Розроблено стенди та методику дослідження за допомогою швидкісної відеозйомки.

Спостереження за роботою експериментальної установки, на якій було встановлено АБП, показало, що всупереч відомим положенням теорії автоматичного балансування реальні конструкції АБП зменшують амплітуди коливань ротора як на докритичних та закритичних частотах обертання, так і на резонансі.

Для більш детального дослідження цього явища розроблено стенд для вивчення поведінки робочих тіл в АБП, в склад якого входять: дослідна установка з вертикальною віссю обертання на базі машини "Волга-11", макет АБП із оптично-прозорого матеріалу, віброметри ПИ-19, осцилограф ВВ-10Н, шлейфовий осцилограф Н071.4М, стробоскоп СШ-1, швидкісна відеокамера Panasonic NC-HC 1000, персональний комп'ютер IBM. Запуск відеокамери синхронізовано з включенням дослідної установки та шлейфового осцилографа.

Обробка отриманих результатів здійснювалась шляхом перегляду на комп'ютері та зіставлення запису стрічок відеокамери та осцилографа. В результаті розшифровки даних отримані комп'ютерні кадри місць розташування робочих тіл на докритичних, критичних та робочих частотах обертання. Приклади кадрів представлено на рис. 4, з яких видно, що “напівмісяць” рідини розташовується навпроти дисбалансу.

Аналіз отриманих матеріалів показав, що спостерігається різниця у часі включення в роботу рідких та твердих робочих тіл, тому на етапі розгону АБП нагадує широкосмуговий динамічний гасник коливань. При умові відсутності кутового прискорення вже на частоті 1,2-1,6 Гц (70-100 об/хв.), що відповідає дорезонансній частоті коливань, робочі тіла припиняють свій рух відносно стінок АБП і встановлюються напроти дисбалансу. В ході спостережень за роботою АБП помічено, що зміна оложення дисбалансу під час роботи ротора призводить до зміни положення робочих тіл. При цьому кульки швидше за рідину реагують на зміни, згладжують вібрації, викликані зміною дисбалансу, і доврівноважують ротор. Рідина внаслідок інерційності реагує повільніше і згладжує вібрації ротора, викликані власним переміщенням кульок. Це дає змогу рекомендувати для використання з метою зниження вібрацій машин зі змінним дисбалансом ротора саме комбіновані АБП, як найбільш ефективні.

Представлено наближену математичну модель, яка вперше враховує гідравлічні властивості рідини, зокрема закон Паскаля, пояснює її поведінку під час роботи в автобалансирі.

Розглянуто схему, в якій автобалансир радіуса R посаджено на вертикальну вісь обертання з ексцентриситетом е (рис.5). Точка О' - центр ваги автобалансира, точка О - центр обертання. Наявність прогину не вносить принципових змін в побудову математичної моделі даної задачі, тому розглядається випадок відсутності прогину.

При обертовому русі на тіло діє відцентрова сила. Вода під дією відцентрової сили буде видавлюватися із зони великого тиску у зону з меншим тиском, протилежну дисбалансу, до тих пір, поки, відповідно до закону Паскаля, її дія не вирівняється у всьому об'ємі, зайнятому водою. Інакше кажучи, тут має місце закон сполучених посудин.

Тобто в усіх точках шару, притиснутого до стінки автобалансира, тиск буде однаковий, а в точках вільної поверхні тиск завжди дорівнює атмосферному.

Розглянуто горизонтальний перетин автобалансира та знайдено форму вільної поверхні рідини. Шукане рівняння має вигляд:

, (11)

де V - об'єм рідини;

h - висота стовпа рідини.

Отримане рівняння є кривою 4-го порядку - равлик Паскаля.

Дослідження на екстремум показало, що найбільша висота стовпа буде в точці, протилежній дисбалансу, і залежить від розмірів R, e, V і h.

Рідина зрівноважує саму себе (відбувається самобалансування) і через це також частково дисбаланс. Для більшого зрівноважування дисбалансу, очевидно, необхідно розробляти конструкції автобалансирів, у яких камери розташовані вертикально одна над одною або концентрично. Виходячи з отриманих в ході експериментальних та теоретичних досліджень результатів, розроблено комбінований рідинно-кульковий АБП( для машини "Волга-11".

ВИСНОВКИ

Розроблено математичну модель коливань машин з вертикальною віссю обертання, яка враховує типи підвісних елементів, розташування і величину дисбалансу та зв'язність коливань по всіх узагальнених координатах.

Теоретично отримані та експериментально підтверджені вимоги до конструкцій машин з низькою віброактивністю, які полягають в наступному: суміщення центрів мас частин коливальної системи, що обертаються і тих, що не обертаються; симетричне розташування демпферів та пружних підвісок відносно координатних площин, які містять в собі головні центральні осі інерції; ущільнюючі елементи, які з'єднують ротор та корпус, повинні бути безжорсткісними; платформу слід встановлювати на вертикально розташованих підвісах.

Виявлено протиріччя між теорією та практикою автоматичного балансування, яке полягає в тім, що всупереч теоретичним положенням, рідинний та сипкий АБП знижує вібрації як на дорезонансній частоті обертання ротора, так і на зарезонансній та самому резонансі.

Вперше проведено швидкісну відеозйомку руху робочих тіл в АБП і встановлено, що рідинні та сипкі робочі тіла розташовуються навпроти дисбалансу як на дорезонансних частотах обертання, так і на зарезонансних і на самому резонансних.

Запропоновано нову математичну модель та теоретичне трактування роботи рідинного АБП, що грунтується на врахуванні гідравлічних властивостей рідини і пояснює висновок 3.

Теоретично та експериментально показано доцільність створення комбінованого багатокамерного балансира.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень впроваджені в конструкцію прально-віджимної машини "Волга-11". Введення безжорсткісної діафрагми, малогабаритних підвісних елементів, нового компонування мас та жорсткостей на платформі, комбінованого АБП дозволило знизити вібрації машини не менше, ніж в 2,5 рази та забезпечити її стійкий вихід на робочі частоти обертання.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Ройзман В. П., Малигін О. В., Чоловський Р. Г. Математична модель рідинного автобалансуючого пристрою // Вісник Технологічного університету Поділля. Сер. 3. Соціально-гуманітарні і природничі науки. - 1997. - №1. - С. 59-63.

Чоловский Р.Г. Метод снижения вибраций машин с изменяющимся дисбалансом ротора // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1997. - №1. - С. 23-25.

Чоловський Р.Г. Математична модель ротора з кульковим автобалансуючим пристроєм // Вісник Технологічного університету Поділля. - 1998. -№1. - С. 69-72.

Чоловський Р. Г., Нікітін О.О. Установка для дослідження процесу автобалансування прально-віджимних машин // Вісник Технологічного університету Поділля. - Част. 2. - Спец. Випуск. - №4. - 1998. - С. 151-152.

Ройзман В.П., Борко И.В., Малыгин А.В., Чоловский Р.Г. Математическая модель работы жидкостного автобалансира // Сб. тр. 2-й междунар. конф. "Динамика роторных систем". - Каменец-Подольский, 1998. - С. 86-90.

Ройзман В.П., Борко І.В., Малигін О.В., Чоловський Р.Г. Експериментальні дослідження роботи автобалансира // Сб. тр. 2-й междунар. конф. "Динамика роторных систем". - Каменец-Подольский, 1998. - С. 91-95.

Чоловський Р. Г., Нікітін О. О. Методика швидкісної відеозйомки роботи автобалансуючого пристрою // Вісник Технологічного університету Поділля. Сер. 3. Соціально-гуманітарні і природничі науки. - 1997. - №1. - С. 56-58.

Ройзман В. П., Малыгин А. В., Чоловский Р. Г. Математические модели стирально-отжимных машин // Проблеми сучасного машинобудування. - Зб. - Хмельницький: ТУП , 1996. - С. 119-120.

Ройзман В. П., Малыгин А. В., Чоловский Р. Г. Снижение виброактивности стиральной машины "Приморье" Проблеми сучасного машинобудування. - Зб. - Хмельницький: ТУП , 1996. - С. 120-121.

Ройзман В. П., Малигін О. В., Чоловський Р. Г. Дослідження роботи АБП на роторі з горизонтальною віссю обертання // Вісник Технологічного університету Поділля. - Част. 2. - Спец. Випуск. - №4. - 1998. - С. 143-145.

Silin R., Royzman V., Malygin A., Borko I., Tholovsky R. The research the automatic balancing Process of Rotors with vertical axis of rotation // Tenth world congress on the theory of machine and mechanisms, Oulu, Finland, 1999.

Silin R., Royzman V., Malygin A., Tholovsky R. Method and device for providing the operation of washing machines without increased vibrations // Tenth world congress on the theory of machine and mechanisms, Oulu, Finland, 1999.

Рішення про видачу патенту на винахід, МПК 6 D 06 F 33/02, D 06 F 37/00 Система керування процесом розкладки та віджиму білизни / В.П. Ройзман, О.В. Малигін., Р.Г. Чоловський (Україна). - Реєстр. номер 97084340 / Заявлено 21.08.97.

АНОТАЦІЇ

Чоловський Р.Г. Вібрації та автоматичне балансування машин із вертикальною віссю обертання і змінним дисбалансом ротора. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - Машинознавство. - Технологічний університет Поділля, Хмельницький, 1999.

Розглядаються питання зниження вібрацій машин і теорії та практики автоматичного балансування. Складена математична модель машин із вертикальною віссю обертання та в ході її аналізу розроблені вимоги до конструкцій із низькою віброактивністю.

Виявлено протиріччя між теорією і практикою автоматичного балансування. Отримані за допомогою комп'ютерної і відеотехніки кадри розташування робочих тіл показали, що робочі тіла врівноважують ротор як за резонансом, так і до резонансу і на резонансі. Запропоновано нове пояснення поведінки рідини в балансирі, яке враховує її гідравлічні властивості. На підставі проведених досліджень для машини "Волга-11" розроблені конструктивні рішення, що знижують її вібрації не менш, ніж у 2,5 рази.

Ключові слова: вібрація, ротор, автоматичне балансування, балансир.

Чоловский Р.Г. Вибрации и автоматическая балансировка машин с вертикальной осью вращения и изменяющимся дисбалансом ротора. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - Машиноведение. - Технологический университет Подолья, Хмельницкий, 1999.

Рассматриваются вопросы снижения вибраций машин, теории и практики автоматической балансировки. В диссертации в качестве объекта исследований выбраны стирально-отжимные машины производства стран СНГ. При составлении дифференциальных уравнений колебаний использована динамическая модель, представляющая собой типовую конструкцию центрифуг, сепараторов, стирально-отжимных машин и т.п. Рассмотрен общий случай, когда система имеет шесть степеней свободы и связность колебаний по всем обобщенным координатам. На основании уравнении Лагранжа 2-го рода получены дифференциальные уравнения колебаний машин с вертикальной осью вращения в матричном виде. Наличие внедиагональных элементов в структуре соответствующих матриц свидетельствует о высокой связности колебаний, что на практике всегда усложняет виброизоляцию машины. Для устранения связности колебаний внедиагональные элементы должны быть равны нулю, что означает разделение колебаний по обобщенным координатам. На основании анализа дифференциальных уравнений сформулированы требования к конструкциям машин с низкой виброактивностью, которые заключаются в следующем: совпадение центров масс вращающихся и невращающихся частей колеблющейся системы; симметричное расположение демпферов и упругих подвесок относительно координатных плоскостей, содержащих главные центральные оси инерции; упругие уплотняющие элементы, соединяющие ротор и корпус, должны быть безжесткостными; платформу следует устанавливать на вертикально расположенных подвесах. Исходя из полученных требований, проведена экспериментальная проверка соответствия этим требованиям конструкции стиральной машины “Волга-11”. Установлено, что в данной конструкции машины имеет место большая связность колебаний, резонансная частота составляет около 3 Гц. Все это приводит к тому, что при неудачной раскладке белья невозможно осуществить выход ротора на рабочие частоты вращения. Для приведения упруго-инерционных характеристик всей системы к симметрии предложено новое расположение масс и жесткостей на платформе. Также, предложена новая конструкция уплотняющей диафрагмы, соединяющей ротор и бак, и конструкции подвесных элементов уменьшенных габаритов. Использование вышеуказанных технических решений приводит к снижению амплитуды колебаний верхнего края ротора на резонансе в 1,5 раза, а сам резонанс смещается со 180 об/мин приблизительно до 120 об/мин.

Выявлено противоречие между теорией и практикой автоматической балансировки, состоящее в том, что согласно теории автоматической балансировки, рабочие тела снижают вибрации ротора только в закритической зоне вращения. Для того, чтобы разобраться в несоответствии теории и практики, предложено использовать скоростную видеосъемку движения рабочих тел. Для этих целей разработан стенд для исследования поведения рабочих тел в автобалансирующем устройстве с использованием современной видео и компьютерной техники. Полученные видеозаписи и компьютерные кадры положения рабочих тел в автобалансире показали, что рабочие тела уравновешивают ротор как за резонансом, так и до резонанса и на самом резонансе. Уже на частоте 1,2 - 1,6 Гц, что соответствует дорезонансной частоте вращения, при отсутствии углового ускорения рабочие тела устанавливаются против дисбаланса. В ходе экспериментальных исследований комбинированного жидкостно-шарового автобалансирующего устройства замечено, что изменение положения дисбаланса во время работы приводит к изменению положения шариков и доуравновешиванию ротора. Жидкость из-за своей инерционности реагирует медленней. При этом наблюдается взаимное дополнение рабочими телами друг друга.

Предложено новое объяснение поведения жидкости в балансире, учитывающее ее гидравлические свойства, в частности закон Паскаля. Получено уравнение свободной поверхности жидкости, которое представляет собой кривую 4-го порядка - улитку Паскаля.

Определение максимального и минимального значения искомой функции показало, что наибольшая высота столба жидкости будет в точке, противоположной дисбалансу. Экспериментальные и теоретические исследования поведения рабочих тел в автобалансире выявили целесообразность использования комбинированных автобалансирующих устройств для снижения вибраций машин с изменяющимся дисбалансом во время работы. Совместное использование комбинированного автобалансира с разработанными ранее конструктивными решениями по снижению вибраций машины "Волга-11", полученных на основании требований к конструкциям машин с низкой виброактивностью, позволило снизить ее вибрации не менее, чем в 2,5 раза на всем диапазоне частот вращения ротора.

Ключевые слова: вибрация, ротор, автоматическая балансировка, балансир.

Tcholovsky R.G. Vibration and automatic balancing of machines with vertical rotation axis and varying rotor disbalance. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.02.02 - Machine engeneering. - Technological university of Podillia, Khmelnitskiy, 1999.

The thesis is devoted to problems of machines' vibration reduction and both theory and practice of automatic balancing. In a thesis the mathematical model of machines with vertical rotation axis is composed and in a course of the analysis the requirements to constructions of machines with low vibration activity are obtained. The inconsistency between the theory and practice of automatic balancing is detected. Obtained with the help of video and computer engineering the frames of working bodies position have shown, that the working bodies counterbalance a rotor both behind a resonance and up to a resonance, and on a resonance. The new explanation of liquid behavior in the balancer, taking into account its hydraulic properties is offered. On the base of carried out researches for the machine "Volga - 11" the constructional solutions lowering its vibrations not less than in 2,5 times are developed.

Key word: vibration, rotor, automatic balancing, balancer.

Размещено на Allbest.ru

...