автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.19, диссертация на тему:Разработка экспериментальных методов и средств лазерной балансировки машин и приборов

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИИЯ НАУК ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ им. А.А. Благонравова

Для служебного пользования Экз. №

На правах рукописи УДК 621.375.826

Скворчевский Анатолий Константинович

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЛАЗЕРНОЙ БАЛАНСИРОВКИ МАШИН И ПРИБОРОВ

Специальность: 05.02.19 -«Экспериментальная механика машин»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва -2000

Работа выполнена в Институте Россчйекой Академии Наук

машиноведения им. A.A. Благонравова

Научный консультант: Академик

К.В. Фролов

Официальные оппоненты:

Чл.-корр., РАН, доктор физ.-мат.наук., профессор

доктор технических наук, профессор

доктор фнз.-мат.наук, профессор

Х.С. Багдасаров Е.Г. Нахапетян Ю.А. Быковский

Ведуг^е предприятие:

Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева

Защита диссертации состоится 20 июня 2000 года в 15 часов на заседании Диссертационного Совета Д-003.42.02 при Институте машиноведения имени A.A. Благонравова РАН в помещении конферени-зала по адресу: 101830, Москва, Малый Харитоаьеиский пер., 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института машиноведения _ РАН по адресу: г. Москва, ул. Бардина, 4, теп.: 923-70-44.

Автореферат разослан 18 мая 2000 г.

Уч ный секретарь Диссертационного Сс к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Успехи в создании современных чазеров, способных работать в различных режимах, обусловили успехи в разработке новых экспериментальных методов и средстс лазерной балансировки машин и приборов.

Это особенно важно по той причине, что в таких отраслях, как аэрокосмическая техника, морской и наземный транспорт в настоящее время существует постоянная необходимость балансировки особо сложных роторов, работающих в стабиш. >ируютих платформах, системах автоматического управления и в других специальных средах. При этом скорости вращения роторов, их конфигурация существенно отличаются от обычных открытых роторов. Так роторы гироскопов вращаются со скоростью до 75 тыс. об/мин; электродвигатели повышенной частоты имеют скорость вращения роторов более 100 тыс. об/мин; роторы центрифуг, предназначенных для получения биологических эмульсий, вращаются со скоростью 500 тыс. об/мин; скорость вращения отдельных деталей текстильных машин достигает 1 млн. об/мин.

При дальнейшем развитии техники скорости вращения различных деталей машин и приборов будут возрастать, так как быстроходные машины и механизмы являются более мощными и производительными, компактными и экономичными. Это повышает роль и значение теории и практики балансировочной техники и требует более глубокой её разработки и обобщения.

В настоящее время балансировочной технике придаётся исключительно большое значение, как в нашей стране, так и за рубежом в связи с непрерывным ростом скоростей звеньев машин I; приборов, что является одной из особенностей технического прогресса.

Разработанные в диссертации экспериментальные методы и средства лазерной балансировки машин и приборов оС.-спечивают комплексное решение перечисленных задач.

Цель исследовяний. Разработка экспериментальных методов и средств лазерной балансировки машин и приборов для создания единого комплексною теоретического подхода к исследованию динамических процессои протекающих в рабочих условиях в качестве колебательного движения роторов.

Создание уникальных устройств для балансировки особо сложных роторов, применяемых в авиакосмической области, и работающих в специальных средах. К таковым, в частности, относятся шаровые роторы, вращающиеся в вакууме и в магнитных средах, одноопорные магнитные роторы, а также прецизионные поплавковые инерциальные роторы в жидкостях и многоплоскостные вибрационные роторы в вакууме.

Создание методов и средств балансировки, ориентированных на решение специальных оборонных задач.

Методика исследования. Математический аппарат, используемый в работе, основан на методах многофакторного регрессионного анализа, дифференциального и интегрального исчислений. Использованы положения теории колебаний, термодинамики, теоретической механики, лазерной физики и гидродинамики. При анализе структурных схем лазерной балансирооки машин применяются компьютерные средства для численного анализа.

Наущая новизна работы. Па основе теоретического подхода к анализу процессов лазерной балансировки роторов в широком диапазоне динамических характеристик разработан комплексный подход к процессам измерения, преобразования полезного сигнала и устранения неуравновешенной массы роторов различных типов машин и приборов. В соответствии с этим созданы новые методы синтеза конструкций и устройств лазерных балансировочных станков и автоматических балансировочных машин, включающих в себя единую замкнутую систему; измерения - преобразования -устранения. При этом:

- разработаны теоретические положения и математическая модель лазерной балансировки машин я приборов как единого замкнутого процесса измерения -преобразования и устранения дисбаланса вращающихся роторов, обратной связью которых являются массовые, упруго-массовые и другие базисные функции, определяющие сущность, жёстких и гибких роторов.

- обоснованы теоретические основы многоуровневой регрессионной модели лазерной балансировки, в которой учитывается как достаточно глубоко исследованы подуровни связи процессов балансировки с внешней средой, структурными представлениями основных схем лазерных балансировочных станков, с функциональными возможностями элементов этих машин для обеспечения передаточных функций сигналов дисбалансов, для оптимального управления процессом устранения дисбалансов, в заданном количестве плоскостей коррекции.

- теоретически и экспериментально обосновывается необходимость и достаточность единичной энергетической порции лазерной энергии для элементарного преобразования форм колебаний ротора в свободном состоянии, что может быть основой для осуществления балансировкн роторо! по собственным формам колебаний, инвариантны к параметрам опор балансировочных машин и корректирующим массам, участвующим 1 процессах балансировки.

- разработаны методы и средства лазерной балансировки особо сложны? ротирок, работающих в специальных средах: шаровых роторов, работающих I вакууме, в магнитных и агрессивных камерах: одноопопных магнитны: роторов; прецизионных инерциалььых роторов в жидкостях 1 многоплоскостных вибрационных роторов с вакууме.

Научная » практическая ценность. Теоретические положения I экспериментальные метолы, предложенные в работе, позволили создать I обосноьать огпямхтьные методы расчёта средств лазерной.балансировки.

1кже разработать рациональные методы проектирования балансировочной ¡хники. Данные положения работы вошли в ГОСТ 22061-76. Разработаны ¡»фективные методы расчёта и проектирования специализированных лазерных внков для балансировки шаровых, поплавковых, одиоопорьлх и ногоопорных роторов, работающих в специальных технологических камер ч условиях вакуума, магнитных полей и в других агрессивных средах, лгоритмы разработанных методов нашли своё воплощение при создании 1ециапьных лазерных балансировочных машин и приборов, которые эименяются в различных отраслях промышленности.

В результате анап' за-синтеза структурных схем измерительных каналов ззданы уникальные балансировочные комплексы, эффективно используемые авиакосмической, судостроительной и других отраслях промышленности, собо следует отметить лазерные балансировочные комплексы, успешно рименяемые при создании современных зенитно - ракетных установок типа Игла», а также систем автоматического управления специальными эсмичсскими объектами.

Эти разработки были внедрены на заводах авиационной ромышленности, Минстанкопрома, на агрегатном заводе «Наука», НПО Арсенал». НПО «Купол-М», НПО им. М.В. Хруннчева, в РКК «Энергия» им. .П. Королёва, на Пермском приборном заводе.

Достоверность результатов подтверждается: использованием тробированных методов, средств измерений и обработки данных; 1чественным и количественным анализом результатов; высокой овторяемостыо полученных экспериментальных результатов.

Апробация работы. Основное содержание и результаты диссертации публикованы в 196 научных работах, в том числе: п 6 монографиях, 46 зобретениях и патентах РФ, ГОСТе 22061-76 и обсуждались на энференциях, симпозиумах и семинарах: ИМАШ, МИИТ, МГТУ им. .Э.Баумана, МИИГА, Воронежский Ппитехничсск-ий инсттут, ологодский Университет, Международная конференция, поев. 60-летию МАШ РАН, Международная научно-практическая конференция Промышленная экология» (Санкт-Петербург).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи 'ian, перечня основных выводов и списка литературы. Работа содержит 92 исунка, 10 таблиц к 317 литературных ссылок. Общий объём диссертации -80 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. Обоснована актуальность и значимость разработки кспериментапьных методой н средств лазерной балансировки машин и риборов.

Просмотрены основные эгапы рачинтня науки и техники балансировки в

- с ■

достижениях ученых: И.И. Артоболевского, К.В. Фролова, А.П. Бессонов;. Ф.М. Димстберга, Е.Г. Нахапеткна, A.A. Гусарова, В.В. Клюева, В.А Дубровского, Э.Л. АГфапетова, М.Д. Геикина, Н.И. Бунина, М.Д. Перминовг И И. Блехмана, ЛЯ. Банах, В Н. Барке, Г.Н. Петрова, В.А. Зинкевич, А.С Гольдина, М.Я. Кушуля, Л.И. Брозгудя, Т.П. Козлянинова, М.Е.Левита, В.Г1 Ройзмаиа, В М. Суминова, А.ВА. Синева, В.А. Щег.етильникова, Б.Е Шитикова, A.A. Шубина, Ю.А. Самсаева, Е.А. Панфилова, А.И. Ильяиков; И.А. Ковалева, КС. Тереховой, Г1.В. Короткова, С.Г. Кубланова, Л.! Кранцберга, А.И. Максименко, В.Н. Рыженкова, K.M. Рагульскиса, А.Е Салимона, В.А. Суетиаа, В.И. Сусанина, В.В. Тихомирова, Л.Н. Шаталов; Б.М. Грушина, В.И. Петровича, В.Е. Мячика,-И.С. Федорова, М.М. Тверской В.В. Крылова, Н.Г. Самарова, В.М. Сокола, Т.Т. Гаппоева и других.

Оценивается состояние развития теории и практики балансировочног оборудования в целом, которое в основном охватывает задачи балансировк на специальных автоматических станках и балансировки изделий в сборе рабочих условиях, и определяется область теоретического исследовани применительно к специальным станкам для статической децентрови динамической балансировки изделий в сборе, применяемых в точно приборостроении и машиностроении особенностью которых являютс специфические характеристики измеряемых величин. При этом зада* балансировки сводится к стабилизации всех процессов.

В последнее время успехи в области лазерной техники и современны лазерных исследований связаны с именами выдающих российских учёны Н.Г.Басова, А.М.Прохорова, В.А.Фабриканта, Г.А.Аскаоьян Ю.А.Быковксого, Н.Н.Рыкалина, Дж.Рэди, А.Г.Гриторьянца, А.А.Челыюп Х.С.Багдэсарова, В.П.Вейко, М.Н.Либенсона, А.Л.Микаэляна, А.А.Углов А.И.Кокора, И.В.Зуева, Б.М.Степанова, М.Ф.Стельмаха, С.А.Тимофеев Г.А.Абельсиитова, В.М.Андрияхнна, И.Б.Ковша, А.Г.Шереметьева и других.

Глава 1. Концепция современного развития теории и практики уравновешивании машин и приборов

В первой главе дан анализ современного состояния бапансировочш техники : поставлена задача исследований в области экснериментальнь методов и средств лазерной балансировки.

Теория балансировочной техники представляет собой комплекс весь» сложных и важных для современного технического прогресса разделов, которым относятся: теоретические основы балансировки жестких роторов станков для их уравновешивания; теория и средства балансировки гибк! роторов: теория уравновешивания механизмов; теория допустим дисбалансов роторов; специальные методы и средства балансировки.

Кок известно, при конструировании каждого ротора додж» выполняться два условия. Во-первых, ротор должен представлять сой.

мпновешенное тело в случае точного его изготовления. Во-вторых, у ротора элжны быть предусмотрены плоскости коррекции, в которых он может бьпь эавновешен после изготовления и при ремонте [1-5].

Балансировка вращающихся масс является одним из основных средств иеньшения вибраций и увеличения надежности и долговечности машин ч рнборов [5-8].

Увеличение скоростей вращения и масс роторов вызвало постоянно эзрастающуго необходимость в увеличении точности уравновешивания и роизводительности балансировочных станков. ■ )то создало благоприятные :ловия для расширения фронта работ по усовершенствованию ялансировочного оборудования и изысканию новых принципов его работа, не. 1.1..

В последние годы в нашей стране и за рубежом наблюдается нтенсивное развитие теории и практики балансировочной техники, на основе эмпыотеркой и лазерной техники, что обеспечивает возможность .увеличения адрости, точности, надежности и ресурса различных машин и приборов [9, Э], рис. 1.2.

Однако это развитие в России за последние пять лет связано с большими эудностями в связи с распадом СССР. Общество ведущих специалистов -алансиро. ликов понесло большие потери из-за распада ВСНТО риб0(у0стр0ителей им. С.А. Вавилова, некогда объединявшее и коорднниро-1вшее работу специалистов Союза по балансировочной технике; распались эязи между научными организациями и производителями балансировочного эорудования. Россия как ведущий научный центр в области балансировки угоров и уравновешивания механизмов машин и приборов потеряла основных зготовителей средств балансировки, которые остались в ближнем зарубежье >елоруссии, Украине, Армении, Литве и др.), причем часть из них прекратила лпуСк балансировочного оборудования, другие предприятия превратились в аломощные производства. Кроме того, снизилась активность специалистов, шимающихся разработкой теории и конструкций балансировочной техники.

Следует отметить, что без активной работы по созданию и внедрению тособов и средств „алансиропки в производство практически невозможно телать продукцию России конкурентоспособной на мировом рынке из-за ^достаточной надежности и шикого качества. Однако по точности опре-гления параметров дисбаланса мы не уступаем ведущим зарубежным ирмам.

На мировом рынке балансировочной техникой занимаются многие ирмы, однако наиболее известна в странах СНГ фирма из ФРГ " Шенк ¡СЧЕЫСК). Данная фирма имеет в мире более ста представительств, а в гранах СНГ является основным поставщиком балансировочного эорудования для ав.отракторной промышлсности. Помимо фирмы " Шенк " в НГ' известны специализирующиеся на балансировочной технике фирмы <офман "(НОКМДММ), "Рои гл нигер" (НОШТЛМСЕЯ) - ФРГ;

- о-

T.ELETTRONICA -Италия; "Механализ" (IRD MECHANALYSIS) - США. Дейи" (DAWE) - Великобритания; "Акачи" (Akashi) и "Виброн" (Vibran) -поиия и др. [11].

В 1990 году Правительство поставило вопрос о чрезвычайно оольшнх шотных затратах на приобретение балансировочной техники за рубеже,.л юлее 500 млн. долларов в год). В Институте машиноведения был проведен 1д совещаний со специалистами по балансирог;е с целью разъяснения этого эпроса. Анализ заявок промышленности и закупок по импорту показывает, го наиболее дефицитными являются универсальные станки дорезонансного ina, высокоточные и пр цизионные станки, автоматическое оборудование для ассового производства.

Поскольку балансировке подвергается большое число роторов азлнчных типов, изгогапливаюг-мхея с различными точностью и роизводительностыо, то существует потребность в широкой номенклатуре шов балансировочного оборудования, например, серия универсальных алансировоч!'-IX станков для роторов массой от 0,001 кг до 30.000 кг, азерные универсальные и специальные станки для балансировки гироскопов, ганки для балансировки автомобильных колес, серия станков для алансировки коленвалов двигателей и компрессоров, насосов различных масс, ганки для балансировки вентиляторов, серия станков для балансировки зделий в сборе, серия станков для балансировки турбин авиационных вигателей на повышенных частотах вращения, серия вертикальных алансировочных станков для балансировки дисковых деталей, серия систем пя балансировки шпинделей шлифовальных станков и центрифуг, станки для алансировки шатунов механизмов и лопаток турбин в статическом режиме, олуавтоматы и автоматы для балансировки роторов в крупносерийном роизводстве и т.д.

Для балансировки агрегатов в сборе (вентиляторов, генераторов, турбин т.д.) существует потребность в автономных балансировочных комплектах змерения вибрации на частоте вращения, а также измерительных комплектах ля вибродиагностикн этих агрегатов.

Для измерения и анализа вибрационных характеристик крупных бьектов (электростанций, промышленных зданий, средств транспорта и т.д.) эебуются многоканальные комплекты измерения, вибраций, содержащие азовую ЭВМ и систему контроллеров для сбора и обработки информации.

В сшпн с этим в работе поставлены задачи на основе теоретического одхода к анализу процессов лазерной балансировки роторов в широком иапазоне динамических характеристик:

разработать комплексный подход к процессам измерения, реобразовання полезного сигнала и устранения неуравновешенной массы оторов различных типов машин и приборов;

- создать новые методы синтеза конструкций и устройств лазерных алансиропочных станкоп и автоматических, балансировочных машин.

ыиочшощнх в себя единую замкнутую систему: измерения - преобразования -странения;

- рассмотреть теоретические положения и математическую модель азерной балансировки машин и приборов как единого замкнутого 1..,оцесса змерения - преобразования и устранения дисбаланса вращающихся роторе, братной связью которых являются массовые, упруго-массовые и другие азисные функции, определяющие сущность, жёстких и гибких роторов;

- обосновать теоретические основы многоуровневой регрессионной одели лазерной балансировки, в которой учитывается как достаточно пубоко исследованные "одуровни связи процессов балансировки с внешней редой, структурными представлениями основных схем лазерных алансировочных станков, а также связи с функциональными возможностями гтементов этих машин для обеспечения пергдаточьых функций сигналов небалансов, для оптимального управления процессом устранения исбалансоь, в задан.юм количестве плоскостей коррекции;

- теоретически и экспериментально обосновать необходимость и остаточность единичной энергетической порции лазерной энергии для пементарного преобразования форм колебаний ротора в свободном остоянии, что может быть основой для осуществления балансировки роторов о собственным формам колебаний, инвариантным к параметрам опор алансировочных машин и корректирующим массам, участвующим в роцессах балансировки;

- разработать методы и средства лазерной балансировки особо сложных оторов, работающих в специальных средах: шаровых роторов, работающих в акууме и в магнитных средах; одноопорных магнитных роторов; (рецизионных поплавковых инерциальных роторов в жидкостях и шогоплоскостных вибрационных роторов в вакууме.

Глава 2. Системно - структурный подхо" к уравновешиванию роторов машин н приборов

Во второй главе разработана методология системно-структурного налнза технологического процесса балансировки вращающихся масс, которая юслужила общим подходом к разработке методов формализованного »писания сложных объектов. Кроме того, создан формализованный язык таких |бъектов как балансировочная машина, что позволяет пользоваться юмпьютерными методами проектирования технологических процессов равновешивапия.

Показано, что технологический процесс уравновешивания вращающихся 1асс можно рассматривать как систему, обладающую системными арактеристиками.

Проектируемые автоматические балансировочные машины (АБМ) 1Сновываются на широком применении механических, электрических и

лазериых способов устранения неуравновешенной массы балансируемого тел;: Наиболее бурными темпами развивается производство оборудовать основанного на применении электрических и лазерных способе балансировки. Многие организации нашей страны, а также зарубежны фирмы, ведут работы по использованию эрозионных, электроискровы; электроимпульсных, электрохимических, электронно-луевых и лазерны методов балансировки. В связи с разработкой автоматизированног оборудования, использующего многочисленные новые методы устранени неуравновешенной массы, возникла задача машинного проектировани технологических процессов балансировки.

Итерационный метод позволяет осуществлять системно-структурны анализ процесса балансировки несколькими способами. Один из иг заключается ч разделении общей задачи на ряд подзадач, каждая из которь, проще исходной. В таких подзадачах структура и характеристики отдел ын, частей технологического процесса балансировки выражаются через нсходнь данные в явном виде посредством соотношений, достаточно удобных для i реализации с помощью ЭВМ.

Другой способ состоит в разделении процесса системно-структурно! анализа на ряд уровней, различных по степени детализации, начиная с уровн определяющего структуру процесса балансировки в целом, и кончая уровне! описывающим переходы и приемы технологического процесса в соответстш с программой исследований.

Наконец, можно предложить еще и третий способ системного анализ который заключается в том, что разделение технологического процесса на р. различных по степени детализации уровней сочетается с разбиением каждом из этих уровней обще» задачи на ряд более простых подзадач взаимной оптимизацией решений между подзадачами различных уровней.

Для целей проектирования технологического процесса балансиров вращающихся масс наибольший интерес представляет как раз этот трет способ, получивший название итерационного многоуровневого спосо детализации и оптимизации решений.

Эюг способ системного анализа процесса балансировки предполагг выделение нескольких уровней детализации.

Взг тмодействие технологического процесса балансировки окружающей средой можно представить схемой, приведенной на рис 2.1.

Технологическая Б-система разделяется на подмножества входоз А подмножества выходов Y, Через входы X она воспринимает подсисге обеспечения 1. подсистемы управления 2, 4, 5 и подсистемы конструкторе» 6 и технологической 7 подготовки, а через выходы >' управляет состоит: балансируемого тела 3.

Как видно из приведенной схемы, технологический проц балансировки представляет собой управляемую подсистему технологически процесса сборки и контроля прпборов.

Рис. 2.1. Схема связен техн~логического процесса балансировки с окружающей средой и системами управления производства

Рис. 2.2. Иерархическая структура Б-системы

Входами в Б-систему служат потоки информации о точности изготовления отдельных узлов и деталей прибора, об уровне вибрации, о данных, содержащихся в технологических каргах, об алгоритмах и плановых заданиях.

Эта информация дает все сведения, необходимые для управления процессом балансировки в установленные нормированные ггрезкн времени.

К выходам рассматриваемой системы относятся детали, отбалансированные до заданного значения остаточнрй неуравновешенности, и информация о тех отклонениях технологического процесса,, которые возникают при балансировке деталей.

В подсистеме оперативного регулирования 4 часть отклонений компенсируется, а часть, связанная с накопленными систематическими погрешностями исполнительного инструмента, с фазовыми погрешностями и т. д., передается в системы технической подготовки 6 и 7.

Нормальное протекание технологического процесса балансировки в производственных условиях обеспечивается подсистемами оперативного управления 2, 4, 5, которые призваны осуществлять согласование входных параметров Б-системы и информационных потоков во времени.

Целостность характеризует связи частей Б-системы, благодаря которым она выступает кзк единое целое. Связи между ее частями и свойствами зависят от природы взаимодействующих элементов. На первом уровне Б-система выступает как единое целое (рис. 2.2). На втором ее уровне структура .V состоит из переходов: измерения II, преобразования П и устранения дисбаланса У. На последующих уровнях различают технологические приемы и виды оборудования (М, Э, О, Т, В, Г, Д Ж я т. д.), причем Р — ротор, осуществляющий обратную динамическую связь.

На последнем уровне изделие или балансируемый ротор выступает как

объект управления, параметры которого (»{С//. (12..... О',, определяют

достижимость поставленной технологической цели.

Взаимосвязь основных структурных элементов технологического процесса балансировки задается графом та (Г; таи ; а;|„,,).

В качестве примера на рис. 2.3, а представлена сложная схема балансировки вращающихся тел механическими способами, а па рис. 2.3, 5 -се граф. Вершинами 1—Л графа обозначены основные и вспомогательные переходы, а дуги между ними указывают на порядок и время /¡; между начатом /-го и начатому-го переходов. Вершина У характеризует возможность достижения предварительного уравновешенного состояния балансируемого тела. Последующие переходы связаны с контрольными переходами приводящими к достижению заданного значения уравновешенности. Сгрелкт указывают направление развития технологического процесса. Г1ослсд»ш рсршина графа, соответствующая окончанию процесса балансировки обозначена буквой Л.

На гис. 2.4 приведены примеры построения графов некоторых сгюсобо!

-Г>"

АЛидаймя! ¿т

г г., к, 1 Т.Л. г >

л р

)

Чпс/мта-¡анлсцращ»

Р М

Рис. 2.3. Функциональная схема технологического процесса уравновешивания механическим способом (а) и ее граф (б)

1 Л.; т, I

Рис. 2.4. Примеры построения графа балансировки: а — способом сверления; б — электрохимическим способом; в — лазерным способом

Рис. 2.5. Граф структуры сложного процесса балансчровки

- 'Jt -

устранения неуравновешенной массы.

Процесс тарированного сверления характеризуется графом типа С!и{Я, ти] (рис. г.4, о). Вершины графа I, 2, 3 и 4, дуги R„, R„ и Ry учитывают возможность многократного повторения операций и переходов с обязательными контрольными операциями RK. Данный способ характеризуется многозвенностью и неопределенностью, возникающими в riждом звене.

Электрохимический способ балансировки (рис. 2.4, б) отличается малым количеством вершин и дуг и имеет плавный вид, характеризующийся графом G{>n(¡; гпсдй,,}. Вершины m¡, тг и ту и дуги обусловлены отображением типа тоГ"'одоп- Процессы измерения, преобразования и устранения имеют совмещенный характер. Контроль результата получается автоматически.

Лазерный способ балансировки (рис. 2.4, Ó) имеет ступенчатый характер, что обуслов ивает наличие значительного количества вершин А/, Ai и т. д., а дуги, обозначенные через B¡—Вк представляют собой отображение типа

тп 1тп .

'J UJ-1

Б-система, как и другие технические системы производства, характеризуется ступенчатостью построения, которая распространяется для различных структур на разную глубину (рис. 2.5). Различают множества подсистем первого уровня íf*!f, множества пс систем второго уровня {'i,,,(7;2;•■•</'и множества подсистем третьего уровня а также

дуги U\\íl\\—U\ и т.д. Таким способом можно получить граф структуры сложного процесса. Дальнейшего членения его не требуется. Например, для механических способов балансировки, осуществляемых вручную, технологический процесс расчленяется до уровня переходов, а выбор приемов, обеспечивающих останов, съем и повтор, а также их последовательность в каждом переходе, производится оператором.

При уравновешивании вращающихся тел на высоких оборотах возникает опасность значительного увеличения фазовых погрешностей áa^ , которые

при наличии шума &anmíX могут затруднять, а в некоторых случаях даже делать "невозможной точную балансировку.

Опасность увеличения значения Ди^. отмечается в случае погрешности

синхрон}' ,ацли д«„„„. Погрешность синхронизации приводит к несовпадения: зоны съема массы с положением «тяжелого места» ротора.

Исследования [8, 9] показали, что при удалении неуравновешенной массы малыми порциями при соотношении «Дт„оп годограф вектор; дисбаланса описывает на фазовой плоскости не спираль, а более сложиук кривую. На рис. 2.6 приведены примеры годографов для различных структур АБМ. Отмечено, что частота вращения годырафа ыа не является постоянно! ¡¡а фазовой плоскости, a зависит также- от добротности снсгемь преобразования полезного сигнала, т. е. в общем виде

-ц-

«/)■ (2 1)

Из построен!.л рис. 2.6, я определим критическую величину Л«^ и найдем условие

Да^. s Да , (2 2)

которое обеспечивает возможность достижения уравновешенною состояния эотора в самых неблагоприятных случаях.

При = i-jt/2 годограф увеличивает частоту вращения и сгремтся

товериуться по траектории, направленной от первоначального его положения рис. 2.6, б).

В пределах угла ±л/4 годограф, поворачиваясь с минимальной жоростыо, стремится вернуться к своему первоначальному положению (рис 1.6, в, г). С учетом фазовой погрешности преобразующей системы АБМ можно 1апнсать

Ла£„ = ±(л/4 ± d<p) , (2.3)

•деd<p— приращение угла, обусловленное погрешностью Ди/.

Таким образом, для практических целен достаточным условием наполнения точной балансировки является наличие неравенства

Л< ±(jt/4 ±dtp) , (2.4)

Это значит, что при использовании АБМ, основанных на лазерах, >аботаЮщих в режиме модулированной добротности, существенно снижаются ребования к точности синхронизации луча относительно «тяжелого места» и к разовым погрешностям преобразуюи";й аппаратуры.

На основании полученных результатов рекомендуется создавать :труктуры АБМ с лазерами, работающими в импульсном режиме с частотой 00—400 Гц, скважность излучения которых соизмерима с частотой вращения ¡алансируемого тела. Энергия в импульсе должна быть не менее 2—5 '(ж, 1тобы обеспечить оптимальные условия в процессе уравновешивания на 1ысокой частоте. Данные АБМ могут быть высокоэффективными в [роизводственных условиях.

Многообразие методов уравновешивания приводит к многовариантности адач синтеза Б-систем на основе заданной функции.

Качественная определенность Б-снстем задается -также совокупностью тучкциональных свойств, характеризующих процесс функционирования истемы.

Из этого следует, что на любом уровне членения Б-снстема арактеризуется рядом технических параметров. Множество параметров для ехнологического процесса балансировки можно записать как

<;" = .v (2.5)

где /у ,1'у параметры, описывающие определенные

Рнс. 2.6. Примеры построения годографа на фазовой плоскости: а и б -режим свободной генерации;виг — режим модулированной добротности

)ункциональные свойства системы.

На основании зависимостей между и составляем систему

)ункционирования, описываемую графом (Т',т,ы). Для выявления

аиболее глубоких и существенных свойств сложных технологических роцессов, в том числе и процессов, происходящих в Б-системах,- последние еобходимо рассматривать как системы, имеющие иерархическую структуру, аждый уровень которой характерен неповторяющейся в других уровнях ачествеиной определенностью частей процессов, их Бзаимосвязанностыо в [елостной картине объекта.

Математическая модель технологического процесса балансировки ращающнхся масс, как функция Б-системы, определяется на всех уровнях ленения следующим образом:.

i/° ={* :тая -*m„t\ {/1°} £"((/'; 7')}

=к ■<> ^.U'l^'V)}, (2.6)

G" = , -> my; fa ))g; g = 1,2—п.

Первая строка выражения (2.6) описывает техническую характеристику, трукгуру и функцию Б-системы. Следующие строки задают технические арактернстикн и множества j = 1, ..., п объектов на различных уровнях ленения. Последняя строка содержит описание основных технологических 1араметров.

Таким образом, системно-структурный анализ технологической аланси,.овочион системы показал, что формализованную структуру следует ассматривать как структуру сложную, состоящую из уровнен и подуровней, писание связей между которы и осуществляется математическими методами еории графов и многофактороного регрессионного анализа.

Глава 3. Синтез лазерных методов измерении дисбаланса машин н приборов

В третьей главе выполнен системный анализ современных способов равповешивання вращающихся масс (электроэрозионнын, электронно-учевой, электрохимический и др.), на основе которого показано, что по ряду ажных. показателей лазерная балансировка выгодно отличаются от ущест вующих балансировочных машин, основанных на применении других 1етодов удаления неуравновешенной массы.

Для определения дисбаланса балансируемого объекта использовалась становка, структурная схема которой изображена на рис. 3.1. Установка остоит из оптического резонатора, образованного зеркалами 1 и 2 и сследуемым объектом 3, детектора 4 и электронного устройства обработки и егисграцим результатов измерения 5. Зеркала I и 2 образуют активную ветвь

- го-

Рис. 3.1. Структурная схема установки для определения динамических характеристик балансируемого объекта.

-гк-

резонатора, а зеркало 2 и исследуемый объект 3 - пассивную.

Излучение активной ветви оптического резонатора направляемся па элементарную площадку единичной площади балансируемого объект, (олебания которых характеризуются значениями амгш уд и частот вибрации /и Аг, А', ••• /„. После отражения от исследуемою обьекта луч лодулируется, проходит оптический резонатор и поступает на детектор. И детекторе оптический сигнал, несущий информацию о параметрах вибрации юследуемого обьекта, преобразуется в электрический сигнал и отображается к тектрониом устройстве обработки и регистрации результатов измерении.

Для описания процесса измерения необходимо рассмотрен, 1заимодействие элементарной площадки единичной площади с лазерным |учом и его преобразование п оптическом резонаторе н детекторе.

Теоретически методика исследования оптическою резонаюра »сновывается на определении зависимости его выходных характеристик <п [араметрических характеристик самой измерительной системы и исследуемою |бъе1ста. При этих условиях в качестве оптического резонатора возможно осматривать всю среду, находящуюся между глухим зеркалом и юверхпостыо исследуемого объекта, поэтому характеристики лазерной) луча, [спользуемого как инструмент для измерения параметров вибрации, являкнея дним из наиболее важных при создании измерительных систем, а знания и\ ависнмостей от различных факторов, позволяет создать измерительные нстемы с на; еред заданными свойствами.

Оптический резонатор представляется как однородный лазерным реобразователь высокой добротности, способный передать состояние бъекта Н, Лу, /1г,,/х,./>.//, 1) в его лектрическую функцию (1ких, (.1х, .-1,, Л,, ,/у/г, 0 прямым способом. При этом сохраняется линейность преобразований.

1/тлх.\ ИхЬ

.............................................................. И)

Уравнения (3.1) "станавлинают взаимосвязь между параметрами небаланса исследуемого обьекта и выходными характеристиками пического резонатора.

Линейность системы достигается выделением участка оптическою шпределения с линейно изменяющейся яркостью, например, на левой или ?~вой ветви фигуры поперечного сечения плотности мощности в липецкой ее юти. В противном случае на детекторе позникаег нелинейность, I е ¡соответствие динамических характеристик исследуемою обьекта и ютвегствующих им электрических сигналов.

Если в активной ветви имеются участки, ммopi.it: и м сто I различные оффицпенты поглощения, то формула имеет вид:

Рис. 3.2. Изменение активных потерь в оптическом резонаторе при движении балансируемого объекта.

Рис. 3.3. Обобщенная характеристика оптического резонатора.

Рис. 3.4. Выходной сигнал оптического резонатора при движении балансируемого объекта.

_ гъ~

;и £0.

Оптическая длина активной ветвн равна сумме омических длин пьных его участков /,„, обладающих различными показаниями омлеиия, т.е.

Среда между зеркалом 2 и исследуемым объектом 3 только поиющаег leime. Пассивная ветвь характеризуется средним за проход фицнентом пропускания 7'„ ä I и оптической длиной /.ц.

Активное и пассивное плечи оптического резонатора характеризуются е величинами набега фаз между соответствующими поверхностями, чины <р" однозначно связаны с оптическими длинами L" общим юшением:

/ - индекс, обозначающий конкретное плечо оптического резонатора; о ->та излучения; С скорость распространения света в вакууме; 2]«" набеги многослойных зеркалах.

Излучаемая оптическим резонатором мощность зависит ог фициента вида К1' и у", а колебания выходной мощности 1/шх дают :тавление т параметрах дисбаланса балансируемого объекта (рис. 3.2 -

Выполнены теоретические н экспериментальные исследования режимов (ации лазерного луча. Основное внимание было уделено режимам: »Лион генерации, модулированной добротности и непрерывного гения.

Показано, что оптимальным условием при разработке АБМ с енением лазеров, работаю!- .их в режиме свободной генерации, следует ть "лстоту вращения балансируемого тела, которая заведомо ниже 1ческой: «у,«й>рЧ1; при этом длина следа «л Кк. Установлено, что с уменьшением частоты вращения производительность :еса уравновешивания может возрасти, если повысить чувствительность мы .пБМ, так как Ат0 в импульсе возрастает (рис. 3.5 и 3.6). Представленный на рисунке 3.7 график соответствует производственным иям и установленным нами оптимальным вариантом при проектировании с использованием лазеров, работающих в режиме свободной генерации. Показано, что режим модулированной добротности позволяет создавать ую энергию лазерного излучения за очень короткое время (рис. 3.7). Уже несколько наносекунд на поверхности балансируемого тела создается

(3 3)

(3.4)

-2-4-

Рис. 3.5. Схема, поясняющая энергоемкость лазерного луча, работающего в режиме свободной генерации

тела

лотность энергии в 1014 Вт/см2. Однако энерговкиад лазерного луча в ном лучае значительно меньше, чем при работе лазера в режиме свободной енерации, а величина А ¡у, определяемая из рис. 3 .8, имеет незначительную лощадь по сравнению с площадью всего импульса нзлу ,ения лазера (г„„).

График съема неуравновешенной массы с поверхности ротора, ращающегося с частотой 24 тыс. — 30 тыс. об/мин, прин -ден на рис. 3.9.

Определены оптимальные параметры регулирования процесса алансировки этих АБМ обеспечивающие оптимизацию размеров следа от азерного луча на всех режимах как грубой, так и тонкой балансировки.

Установлено, сто съем неуравновешенной массы позволяет повысить ронзводнтельность процесса балансировки, что достигается в результате величения съема массы на низких частотах вращения, а повышение точности в результате окончательного уравновешивания на рабочих частотах и съема алых порций массы п импульсе.

Также подробно изучен режим непрерывного излучения, для которою аиболее применимы лазеры, использующие смесь газов с СОг н обладающие овышенной мощностью излучения в ультрафиолетовом диапазоне.

Плотность излучения таких лазеров IIу, недостаточна для мгновенного

спарення материала балансируемого тела, и это обстоятельство является тавным препятствием для применения их в целях балансировки, нергетическле характеристики И'^. не удовлетворяют требованиям,

эедъявляемым к световому лучу как к инструменту для устранения тсбала са быстровращающихся тел. Однако высокая энергоемкость луча .1,, тздает предпосылки к использованию таких лазеров для уравновешивания угоров электрических мт. ли, обладающих большой массой, но )ащающихся с частотой а> р намного ниже критической: а> р«а> рЩ>.

Такой подход к лазерам, работающим в непрерывном режиме, позво ляет ¡пользовать их для уравновешивания турбоагрегатов н турбомашин путем :рераспределения распл°вленнон в луче лазера массы в процессе вращения (лансируемоготела. Что касается временных характеристик г„,,то они могуч .|ть вполне удовлетворительными благодаря применению преобразователей рерывателей). Поэтому в принципе молено создать описываемую систему с тсокой частотой следования импульсов, обеспечивающую повышение изводительности и точности процесса балансировки.

Показано, что режим плавного изменения внутренних потерь является зновидпостыо режима свободной генерации и режима модулированной бротности.

Энергетические и временные характеристики лазерного луча являются в эм случае переменными и удовлетворяют условиям рис. 3.. Энерговклад п оцесс удаления неуравновешенной массы зависит от величины уравновешенности ротора и от часшты его вращения <ог, т. е

Л*

1 * V V г з ♦ У

' Шм лнхчость —- ПраШ пмсиост

Рис. 3.7. График процесса уравновешивания лучом лазера, работающим в режиме свободной генерации

Римскими цифрами ¡—V обозначены циклы излучения, арабскими цифрами величины энергии излучения ,Дж

Лж 35

?5

15

1

■Ащ.

)Ул

3

з

ч.

1_ N

Ч -»._

4

6 3 н \ л** — ПргШ тыеещ

Рис. 3.8. Схема, поясняющая энергоемкость лазерного луча работающего в режиме модулированной добротности

Рис. 3.9. График процесса уравновешивания лучом лазера, работают»* в режиме модулированной добротности

,:»,). (3.5)

Оптимальное регулирование процесса балансировки этих ЛЬМ обеспечивает оптимизацию размеров следа от луча /. на всех режимах как грубой, так и тонкой балансировки.

Представленный на этом рисунке (рафик съема неуравшшешенной массы наглядно показывает, что повышение производите..ьности достигается в результате увеличения съема массы на низких частотах вращения, а повышение точности - в результате окончательного уравновешивания на рабочих частотах и съема малых порций массы в импульсе.

Для этих АБМ характерны следующие соотношения:

Гу.гТ^.3 Тжт.} + ¿(/„ . 7',, + 7' )„„, + ¿(/. ■+ Гу)Шс, (3 6)

^ »»1 п-1

где (7и +• Гц +• 71,.),,,,, — время на измерение, преобразование и устранение дисбаланса на низких частотах вращения; ('/'„ ( Ту)шс — время на измерение и устранение дисбаланса на высоких частотах вращения;

¿Л г,

^^П, \ (Л„,„>/7^, « ---------, (3.7)

где ДК,Ш) — объем следа при уравновешивании на низких частотах вращения; ДУ,.и<, — то же, на высоких частотах вращения.

Погрешности Д'",,^ и Да обусловлены полями распределения,

характерными как для первой, так и для второй из ранее рассмотренных структур АБМ. Следует отметить, чт< фазовые погрешности влпяюг в большей степени в процессе уравновешивания на низких частотах вращения, что необходимо учитывать при проектировании АБМ. На высоких частотах вращения действует фактор некритичности процесса к фазовым погрешностям:

Л в ^ г5 ±(я/4 ±Ы<р) . ч3.8)

Существенная особенность этой схемы заключается в том, что при включении преобразователя внутренние потери в резонаторе изменяются прг юрциопально частоте вращения ротора, что позволяет производить грубую балансировку световым лучом на низкой частоте благодаря значительной мощности излучения (до 30— 50 Дж), а при точной балансировке на рабочей частоте — испарять малые порции массы за счет модуляции добротности излучения. Процесс грубой и точной балансировки ведется непрерывно в широком диапазоне частот вращения и отличается высокой производительностью. Энергетические и временные характеристики луча являются в этом случае переменными и па первом этапе напоминают процесс грубой балансировки, а на втором этапе — процесс чистовой балансировки Энерговклад в процесс удаления неуравновешенной массы зависит ог величины неуравновешенности ротора Дт,. и от частоты его вращения

.. гг-

Оптимальное регулирование процесса балансировки при применении данны) ЛЬ M обеспечивает оптимизацию размеров следа от луча на всех режимах ка> г рубой, так и тонкой балансировки.

Рассмотренные выше режимы могут быть использованы на четверток уровне проектирования лазерных балансировочных машин и технологически) процессов на их основе. Всестороннее освоение лазерных методо! уравновешивания, без сомнения, приведет к дальнейшему совершенствовали к конструкции и методов автоматической балансировки.

Решена задача разработки методов формализованного описания функцш и технических характеристик балансировочного оборудования.

Функцией балансировочного оборудования является выполнен™ операций по устранению неуравновешенной массы вращающегося тела < заданной точностью и производительностью.

Автомат.ескне балансировочные станки и машины предназначены дл! уравновешивания деталей (роторов) электрических машин, турбин и прочи) механизмов, т. е. для преобразования состояния балансируемой детали и: неуравновешенного в уравновешенное. На автоматических балансировочные машинах осуществляется определение и устранение неуравновешенной массь деталей различных типоразмеров одним из многих рассмотренных выш< способов. Поэтому функция АБМ может быть задана множество^ типоразмеров балансируемых деталей и множеством способов устранен») дисбаланса.

Техническая характеристика АБМ поддается описанию наборои соотношений, определяющих размеры и массу балансируемых деталей расположение плоскостей исправления, перемещения исполнительное инструмента, частоту вращения, точностные возможности и частот повторения однотипных приемов:

тимр^тсдав х, sx^;

...........(3.9

'¡M

Величины mai, та,еР, »kiàon и т. д. могут быть заданы числовым1 значениями иди функциональными зависимостями, определяемым! величинами амплитуды фазы и частотами измерительных сигналов.

Для удобства ввода в компьютер создаются графы функций, опнсы ваемых уравнениями и (3.9).

Графы типа G (И, У) раскладываются в таблицы j указание? взаимосвязей. Тип, основные размеры и электрическая схема каждого и элементов и . узлов АБМ описываются множеством конструктивна технологических параметров.

Глава 4. Теория преобразовании когерентного сигнала н синтез системы

В основе физических эффектов, используемых электрофизических ¡етодов балансировки, лежат квантомеханнческпе явлении, основанные на заимодействнн вещества с фотонами и электронами ' сильного пектромагннтного поля [28], математическое описания которых приводиа'я иже.

В качестве излучателя энергии, воздействующей на поверхность рапновешиваемого тела, при электрофизической балансировке нснользуекя сточник мощного электромагнитного поля [3-1]. В >том случае атемэтическая модель основана на кинетических уравнениях [12, 27], ешаеммх на ЭВМ в предположении существующих локальных ограничителем истемы при достижении порогового значения.

Для единичного случая излучения электромагнитного ноля вводя 1 см оэффициенты следующего вида:

те К — коэффициент усиления излучения; £1 — частота генерации; 0 — асходимость луча; К„ — коэффициент усиления накачки.

При этом форма линии люминесценции при излучении тпроксимируется функцией Лоренца [12]

№ ч — коэффициент усиления в функции Лоренца; Д. — ширина омннесценции; 4 — порядке ..ый номер уровня; Д, — начальные условии нирения; О—текущее значение частоты излучения.

Рис. 4.1. Изменение коэффициента усиления оптического резонатора чри 13-личных параметрах активной среды, рассчитанных по уравнениям (4.1), .2): а — я зависимости от коэффициента пропускания ¡1 среды; б — в ¡висимости от коэффициента отражения /•' в свободном многомодовом ;жиме излучения

В случае непрерывного режима излучения используют классические швнения, на основании которых построены графим (рис. 4.2):

- ->c

PUC,^.

f<ve. й. г.

€ + — s *-ú>:e = -

r P

I . cJf,

.. I 7 2JÍ.0),.

I - ,

Рф • -f ~ Рф 1 «>г,ФРф = - - ,----

2+

Л' - Л\,

V ч-----

Т,

г

_2

7V

ha)

г\Ф

- РфЬ

le а; ¿'о, £'ь, -- ипшмалыюе, начальное к текущее значение энергетческош ээффпциента сиизп; Тр, 'Гц — результирующее и начальное значении гмпературы резонатора; 7/, Т2 — текущие значения температуры резон../ори; ), — частота спектра колебаний резонатора; л>л — частота колебаний опор гчонатора; р — коэффициент рассеяния активной среды резонатора; p,¡, -ээффициент фазового рассеяния активной среды; Lp — активная длина гзонатора; Кс„ — коэффициент связи; J2¡ —диаметр зеркала; h — постоянная ланка; N, N0 — инверсная, фазовая и начальная населенное! ь уровней cniBHoro вещества.

Эти ур». .нения решаются при следующих начальных условиях;

I _ í- íf/±

V Р

,<N,

нор »

= -Л'

»е Ы1юр — пороговое значение инверсной населенности.

В соответствии с математической моделью электрофизического роцесса взаимодействия мощного единичного излучателя с поверхностью алансируемого тела протекают реальные производственные процессы, риводящие к решению практических технологических задач балансировки с ;и.оШеи или меньшей степенью совершенства.

Оптимизация процесса балансировки осуществляется относительно эитериев производительности и качества А (/.,,„. Эти критерии

взываются производными от энергии П'с, закачиваемой на единичный акт таксировки, от частоты вращения балансируемого тела м(,, соотношениями

ежду первоначальным и досппкимым уровнями остаточного дисбаланса

1 ■

Достигаемое щачение остаточного дисбаланса при автомашчес.ои гишспроаке имеет ';тр;:к1ер эг.глонентш.шьчо! о закона кигорый бесконечно злыми порциями приближается к нулю Полому

Ркс^З.

/ÎC-v

<0

¿¿в, oí/кан

•

VN

\ J

Î

О Ь В 12 15 ¿la, Откаса/рсчшг Велicw

(iL!

где к - коэффициент пропорциональности, зависящий от уровня соотношения сигнал/шум, в общем случае к= 1; п — число пробных пусков;/1(7, = /'ч\ ,Тг) в соотве тствмн с <4.4), а

при Г/:~Т„)кт * Тг, /., = 1.

Точностной критерий по весовой характеристике ЛОл является из с л с ду юн ш х соотпо и 1 е н и г ■

АОд = А( I М1Я =А,Тр + В,

'"•■■)гр + АХ\-е *л)>А,Гр + Н2 (4.4)

Точностной критерий по угловой характеристике, связанной с установкой светового луча А а , определяется из следующих соотношении:

Л а, = Я, 4

у(а) = г;„{[/1,0»е-"')л3 + АО+ «гЯ")я + -Ц). *"') ^ 5

+ /1,(| 4- I I + е'"'т)К+Аь( 1+е ''")}

где и — напряжение, пропорциональное полезному сигналу на приемном устройстве лазерных датчиков дисбаланса; <р — угловая погрешность полезного сш нала, обусловленная частотными помехами и соотношением сипкш/шум; А/ А.', и Л,—В6 — коэффициенты, определяющие взаимосвязь сигнала с внутренними поверхностями.

Исследования показали, что при подаче сигнала от входного зеркала, перемещающегося с частотой <ог и имеющего параметры <р и 1!ц, за счет моделирования потерь А и Л\, в датчиках дисбаланса происходит резонансное усиление напряжения, пропорциональные дисбалансу при заданном ц . Упрощенный расчет может быть выполнен по формуле

где d— диаметр трубки оптического резонатора.

Коэффициент Ку, определяющий погрешность, установки относительно места дисбаланса, может быть найден из соотношения [2"?).

A'v <--(4 d l

1 60

Критерий про. (подителмюсти /;„,, есть проип,одипя практически от всех составляющих математической модели автоматической балансировки с использованием ЛБС.

На следующей стадии раочпа проводится зкенеримеитальнмг исследования различных типов рогирон. выполненных in конструкционных «азериалов, и нронеденк цик л.! бхкысировки на различных тмп.ч* ЛЬС (ог

ЛБС-1 до ЛБС-З). При этом использовались лазеры как непрерывного действия, т к л импульсные.

Методика определения точности балансируемого ротора заключалась в следующем.

Экспериментальный ротор устанавливали на механические опоры ЛЕС. Первоначальную частоту вррщения ротора определяли с учетом ограничений по допустимому начальному дисбалансу А (г.,. За несколько циклов излучения исполнительного лазера по двум плоскостям коррекции определяли остаточный дисбаланс. Если остаточный дисбаланс оказывался минимальным, то по плоскостям коррекции ротора располагали одинаковые дополнительные дисбалансы до тех пор, пока вибрация опор не достигала определенного значения. Затем полученные минимальные дисбалансы перемещали одноврементэ в плоскостях коррекции на 45° до 7 раз, после чего находили верхний предел значения класса точности, затем определяли минимальный допустимый дисбаланс и аналогичным образом перемещали на 45° ь каждой плоскости до 7 раз.

Глава 5. Физические основы лазерной балансировки

В пятой 'лаве проведен системно-структурный анализ физических процессов, происходящих при устранении неуравновешенной массы, который может дать конструктору достаточно полный с-вет на интересующие его вопросы. Анализ требует разработки математических моделей н методов формализованного описания основных структурных элементов технологического процесса.

По аналогии с традиционным для приборостроения режущим инструментом определены основные характеристики светового луча, обеспечивающие ему весьма большую эффективность при балансировке. К энергетическим параметрам перр.ым можно отнести: IV^ суммарную энергию излучения и Пг— пиковую суммарную плотность; ко вторым: — среднюю длительность излучения, тм: — мгновенную длительность излучения, г„„, — длительность пичкан тит— длительность интервала между пичками.

Исследования показали, что перечисленные факторы по существу являются независимыми переменными и связь их с параметром можно установить аналитически, используя метод регрессионного анализа. Функционально это выражается зависимостью

(5.1)

Зде;:> Я'„ -- энергия накачки, ¿1 — дтамстр активного элемента; г.?, и 1у> коэффициенты пропускания 'лухого и я:,!ходло:о зеркал; с- параметр, стре.ч^мслый геометрией и качеством резонатора

На основании принятой методики мо^но составить исходное уравнение, определяющее влияние всей соьокупносп; конструктивно-технологических

параметров на суммарную энергию излучения:

+ 'У]Л(| )г,, + ,f,„(l f«."')) ' (5.2)

В последних выражениях Л-Ai» и В г-Вт - коэффициент', определяющие взаимосвязь рассматриваемых показателен с конструктивно-технологическими параметрами балансировочной машины. Значения коэффициентов определены путем решения уравнений на компьютере.

Длительность излучения гкт определяется целым рядом конструктивно-технологических параме-оов. В зависимости от т^ изменяется ¡еометрия юны взаимодействия, плотность распределения энергии луча на поверхности рогора, величина снимаемой массы и т. д.

Длительность изпучения, ф^нкциоиапыю зависящая от энергии излучения

аналитически 'мражается зависимостью

= (5-4)

Воспользовавшись уравнениями (5.3) и (5.4), выразим зависимость г.. от конструкт' ню-технологических параметров балансировочной установки:

"""ИиЛ,,^'-' ""'К + 4« (>+«•' <

+ A,(l+i. J>;2 J)rx: +Д7(1 ^ (5.5)

Не'"-' M„(l + е-*" J)r;2 + Д,(1 кг"'» ">3J + Л:„(| rí '> Г, F„ + + + ")r¿ + ЛЯ(|4С "»'У,, +- Al%(¡ В этих выражениях Ац - Л2;, В/, Вц - Ihi - коэффициенты, зависящие от конструктивно-технологическнх параметров оптического квантового генератора, используемого в балансировочной машине.

Мгновенное значение длительности светового луча г„п,, определяющее пнчковый характер излучения, физически связано в процессе уравновешивания с минимальной величиной Sr и минимальным объемом Д V микролунки; iurH возникает вследствие raro, что световой луч в различные моменты времени неоднороден и плотность его энергии различна. Поэтому во время балансировки испарение неуравновешенной массы с поверхности ротора происходит под воздействием последовательных неравномерных импульсов светоьой энергии высокой плотности, которая достигает в отдельных случаях значения 10й' Вт/см3.

Построена мо. ;ль физического процесса взаимодействия лазерного луча с эверхностыо балансируемого тела до сих пор рассмафивалась как энергетическая модель. Однако для понимания сложной природы этою процесса необходим.) учитывать режим работы оптического квантового генератора, используемого для целей огшшаровки, фпзико-механпческие характеристики материала рогора и час югу его вращежн.

В зависимости сгг соотношения энергетических, механических и временных условий взаимодействия, возникающих в реальных условиях балансировки, физические процессы могут варьироваться в значительных пределах. Поэтому рассмотрим особенности развития физического процесса взаимодействия лазерного луча с поверхностью балансируемого тела для случаев: 1) работы лазера в режиме свободной генерации при <ур < ; 2) работы лазера в режиме модулированной добротности и ыр >-: 3) работы лазера з непрерывном режиме при широких пределах частоты вращения ротора <и, ,

В первый момент после начала излучения лазера световой поток Ф„ создает плотность энергии Пг = 106 Вт/см2. Энергия светового потока расходуется па испарение \Уи„ отражение световой энергии 1У0 и образование потока электронов И> повышение температуры в зоне обработки и передачу тепловой энергии И'т, образование потока фотонов IVф, деформацию поверхности \Уц балансируемой детали и образование облоя И^ (рис. 5.1). Так как длительность излучения превышает 1—1,5 мс, а термодинамические процессы на поверхности балансируемого ротора соизмеримы по скорости с процессами разлета и нагрева жидкой фазы материала, то плазменная область V над поверхностью ротора дьижется с фронтом ударной волны .V, создавая дополнительные условия для нагрева и деформации поверхности (рис. 5.2).

Исследования показали также, что величина деформации поверхности ротора и скорость выброса жидкой фазы материала зависят от частоты вращения балансируемого ротора ыр и его физико-механических свойств.

В отличие от вышерассмотренного случая луч лазера, работающего в режиме модулированной добротности, практически не зависит от частоты вращения ротора и его материала. Поэтому принимаются следующие начальные условия: в момент времени I - 0 включается лазер, генерирующий постоянный световой поток Фо. Световой луч падает на материал балансируемого ротора, занимающий полупространство х<0. Из-за высокой интенсивности излучения на поверхности области происходит пробои. В результате за очень короткое время достигается полное поглощение лазерного излучения в тонком поверхностном слое, а затем формируется распределение плоттюстг и энергии, характерная форма которого сохраняется ¡:а протяжении всего периода облучения. На рис. 5.3 представлена модель развития динамических процессов з зоне облучения. Как видно из рисунка, фокальное пространство можно разделить на три области, в которых вещест во находится в различных состочниях, а именно: невозмущенное твердое вещество (область ударим волна (область ¡) и горячая плазма (область 2).

Плазменная область 2 отделена от области ударной волны 1 у жой зоной с большими градиентами плотности. Большая часть световой энергии подходит через область, занятую плазмой, и «»тем поглошзется к '<!ом переходном ело?, который обозначен букве:! /• Ч'р'ыт .V отделяет область

Рис. 5.1. Схема распределения суммарной энергии излучения при воздействии лазерного луча на поверхность тела вращения

И&

// 1

Рис. 5.2. Многомерная модель поршневого механизма для объяснения троцесса деформац л при воздействии лазерного излучения, работающего в кг чме модулированной добротности: 1 .- область ударной волны; 2 -тлазменная область

--ЗЪ-

удариой волны 1 от области невозмущенного твердого вещества 0. Положение различных областей, а также фронтов F и S указано на той части рисунка, который относится к моменту времени t - 1,5 не.

В плазменной области 2 при световом потоке Ф<>, равном Ш10—1012 Вт/см2, температура достигает примерно 210° К за время 1,8 не. Плотность плазмы в области максимальной температуры на несколько порядков ниже плотности разогретого вещества. Скорость перемещения потока плазмы в сторону фокусирующей системы достигает значения Ю5 м/с.

Если сначала почта весь световой поток доходит до фронта взаимодействия, то постепенно возрастает доля энергии, поглощаемая плазмой в области перед фронтом F. Это особенно ярко выражено в одномерной модели [4].

Особе, гостью многомерной модели, разработанной нами, является определение очень большого градиента плотности на фронте F, т. е. там, где образуется плазма. Так как лазерное излучение не может проникнуть в плазм) глубже, чем на длину волны, то фронт разогревает проходимую им область дс максимального значения.

За ударноволновым фронтом S, т. е. в области между S и F, плотно! вещество движется по лучу. Рооходя через фронт ух рной волны S, плазм; вещества сжим зтея в несколько раз. При этом скорость фронта S раин; t's «2.7 ¡0" м/с и практически постоянна во времени.

Давление в ударной волне составляет примерно 300 кбар. В соответсгвш с принятой моделью 10% падающей энергии преобразуется в ударную волну, : остальные 90%—в тепловую и кинетическую энергию горячей плазмы. Так ка: излучение лазера не проникает в область ударной волны, то энерги передается ударной волной посредством работы по сжатию и разрежению npi нестационариости процесса облучения, а также со стороны горячей плазмы.

В момент времени, когда фронт ударной волны отражается о невозмущениой части материала, в зоне развивается волна разрежен и; Содержимое зоны (плазма, жидкая фаза, частицы и т. д.) ускоряется ка единое целое давлением плазмы и образует факел.

Исследования, результаты которых послужили для построения модел процесса взаимодействия, и натолкнули нас на идею создать объемнут «поршневую модель». В своих рассуждениях мы исходили из того, что облает фоку са представляет собой цилиндр диаметром 2г п — v., 1 мм и высотой rlç мм. который содержит по крайней мере 8-!9р атомов Горячую же плазм образует около 4- !0"' атомов

Пои стационарном излучении лазера скорость поршня постоянна, фронты F и -S', пройдя ударную волну, дьижутся с одинаковой скоростью. Пр выбранной постоянной частоте крашения ротора о., мы получаем характерны след длиной /г, причем неровности s зоне обтая расположены радиально занимают минимальную площадь (.рис. 5.4).

-за-

О «с

Воина смати* Фо " Ю Вт/см*

ШИ

1С 5.3 Модель процесса взаимодействия лазерного луча, работающего (е модулированной добротности, с поверхностью тела вращения

„„гтгмнтчфеиул* 111 .....'"У?1

•• 1

? » ч * 3

«Г ^ 1

VI ц» 1 ? К ^

* •» .»Ъ „

I I 1

4 "Ч

с 1

1 1М(

„ I I- ^ ■—•■

1С 5.4. След от лазерного луча, работающего в режиме эованной добротности, на поверхности ротора из Ст20 при ш, - 24

мин

,4с-

Таким образом, создание таких физических условий, при которых происходи^ преимущественное образование электронно-фотонного облака и мелкодисперсных частиц жидкой фазы, приводит к тому, что зона облоя уменьшается. Следствием этого является повышение эффективности балансировки.

Глава 6. Осиопм теории автоматических балансировочных машин (АБМ)

В шестой главе рассмотрены основные структурные схемы автоматических балансировочных машин являются схемы, которые представлен, ые на рис. 6.1. Замкнутая система АБМ (рис. 6.1, а) предназначена для автоматического устранения неуравновешенной массы Дта1 и Дта2 лучом лазера по плоскостям исправления балансируемого тела, вращающегося с частотой ыг Балансировка осуществляется посредством преобразования в системе управления АБМ входных воздействий х\ и х> пропорционально величинам и фазам дисбаланса в величины II/, щ, II2„ <рг, связанные с выгодными величинами а; и + Д?>,), а2 и ( + -обратной связью через функции балансируемого тела.

В отличие от замкнутой системы АБМ, разомкнутая система (рис. 6.1, б) преобразует входные воздействия Ху и х2 пропорционально величинам и фазам дисбаланса посредством системы управления с участием оператора-бапансирошцпка, который определяет соответствие между входной и выходной величинами управляющего воздействия.

Рассмотрим элементы теории замкнутых АБМ. За последнее время теорию замкнутых систем автоматического уравновешивания рассматривали как частный случай систем автоматического управления (САУ) и регулирования (САР).

Лучше всего разработаны системы с одной регулируемой величиной. Поэтому, использовав основные соотношения замкнутой системы АБМ (рис. 6.2), рассмотрим наиболее типичную структуру автоматической балансир^.точной машины и проведем анализ отличий рассмотренных выше разновидностей АБМ в зависимости от характера вводного и выходного воздействий: х, -■-■ /(Лтп|) и х^ -- / (д«»/,.,).

Анализ показал, что типичной стру! -урной схемой для АБМ замкнутого типа с управлением по одной входной величине является схема, представленная на ряс. б.З. Для этой схемы н дополнение к обозначениям рис. 6 1 принято: / (р) — возмущающее воздействие; 1. элемент,

воспринимающий сигнал о наличии дисбаланса; 2 - последовательное коррепф\тощее знено фильтра: 5 усилительный элемент; -/ —

нсколкнтслышГ; элемент: 5 — элемент обратной связи, выполняющий

-1а-

Рис. 6.1. Структупная схема АБМ замкнутого типа

- */,,Шт„

Рис. 6.2. АБМ с использованием лазера, работающего я режиме модули-эванион добротности: а — структурная схема; б — звено скоростной зратной связи

Рис. 6.3. АБМ с использованием лазера, работающего в режиме плавною менения внутренних потерь в резонаторе: а -- структурная схемз; Г> югомерная схема передаточных функции

функциональную связь входной и выходной величии д: и у с передаточ! функцией обратной связи W0.c(p) [6].

Задачу уравновешивания вращающихся тел с использованием А можно рассматривать п первом приближении упрощенно, так как подавляющем большинстве случаев собственные частоты систе исполнительного звена гораздо меньше частот в контурj управления. ! позволяет балансируемое тело, измерительные и управляющие устройс АБМ считать безынерционными звеньями, а исполнительное звено интегрирующим.

К особенностям всех разновидностей АБМ, рассмотренных вы необходимо отнести дискретность входного н выходного воздействий. J рассмотренных типов она оказывается различной при условии, что выход воздействие ¡mol не должно превышать заданного допуска на величину о( точной неуравновешенности Агл^, Скорость уравновешивания функционал зависит от времени уравновешивания Tz и объема снимаемой массы ДГ, .

v = f(rîM'l). (I

Для рассмотрения оптимального синтеза систем АБМ установим передаточные функции в зависимости от характера «ходного и выходн воздействий. Выведем основные уравнения. Так как в процессе балансиро необходимо изменять величину входного воздействия х( или Хг в широ пределах, то для данной конструкции АБМ передаточными функцш системы являются:

ТО (<

w(p) = —^ = w(pmpw„c(/>) - пржарх с

где Wy (р) — передаточная функция исполнительного механизма; WJpj передаточная функция объекта; р = d'Ut — оператор дифференцировэ; Лапласа.

Выведенные соотношения справедливы и для АБМ, рассчитанной использование лазера, энергия излучения которого управляе пропорционально величине остаточной неуравновешенности балансируем тела Одн-ко в выражение (6.2) войдет передаточная функция обратной св ИоЛр)

. *,(//) 1 +W'(r\ '

У АБМ, механизмы которых работают в режиме монулнроват добротности, входное н выходное воздействия имеют ступенчатый хараю не корректируемый в процессе цикла балансировки. Пик к * vanAff», _ соня, т.е. мы имеем дело с системой АБМ прогоаммн pei улиоованкя.

-•е-

Передаточные функции системы определяются как:

= = (6.5)

У АБМ, механизмы которых подвергаются входному и вьиодному 1ействиям с заранее неизвестными функциями, X/ <*> var, Amrll*>vu.. едаточная функция с учетом возмущений запишется:

' Пр) F(P) \'rW(!>)

где IV/ (р) - передаточная функция уравновешиваемого тела по тушению/(р).

Таким образом, синтез АБМ любой конструкции требует определения звных элементов, общих для всех них. В зависимости от характера того и выходного воздействий лередаточные функции АБМ помогают екать практический путь решения системы с использованием ^магического аппарата по синтезу систем автоматов [47, 61.

Разомкнутые системы АБМ, в которых чепользугггея механизмы, лающие d перечисленных выше режимах, обладают худшими пагелямн, нежели замкнутые.

Врет т уравновешивания разомкнутых систем определяется уравнением ), корость уравновешивания — уравнением (2.4), передаточная функция нимает вид

= = (6.7)

Однако точный расчет и синтез системы затруднен тем, что оператор-шсировщик не является постоянно действующим, стабильным элементом 1

Анализ АБМ в реальных условиях показывает, что отказ Б-системы, гукшй за собой неустойчивость системы в цепом, может произойти в льтате отказов отдельных элементов системы. Отказ может быть полным частичным, но и в том и в другом случаях это влечет за собой изменение [метров системы, • результате чего изменяются ее характеристики, показа-[ переходного процесса, соотношения компенсируемой величины и т. д.

Особо остро эти вопросы возникают при проектировании АБМ для новешисання высокооборотных и специальных р'огоров гиромоторов. При ;труироваиии АБМ необходимо использовать принцип «грубости» магических систем, разработанный Л. С. Понтрягимым несколько лет тому д.

Используя выражения для полученных выше передаточных функций, ¡холимо подвергать анализу структуры АБМ, разрабатываемые для гретных условий 'татансировки.

-кч-

Глаза 7. Единый нормализованный ряд автоматических лазерных балансировочных станков и машин н рекомендации по их внедрению в народном хозяйстве

В настоящее время теоретические и экспериментальные исследованш ведутся в направлении создания надежных н нерспективнь : методов лазерной балансировки При этом получают признание как импульсные методь балансировки, так и прогрессивные методы уравновешивания лазерам! непрерывного действия, обладающими повышенной мощностью v производительностью [2].

К особенности конструкции лазерных станков (рис. 7.1) надо отнеси возможность их компонования с различным технологическим оборудованием например, / контроля и регулировки роторов гиропрнборов, вакуум но! балансировки, балансировки в различных других средах [28, 30]. При этом ш рабочий стол, управляемый с пульта 4, относительно исполнительного лазера I устанавливается технологическая вакуумная камера, а процесс балансировм — регулировки осуществляется блоками 2, 3 и 4 автоматически.

Существо процессов балансировки поясняется функциональной схемой (рис. 7.2). Высокое качество балансировки достигается благодаря тому, что t схеме станка имеется вычислительная машина, входы которой связаны < датчиками, вмонтированными в опоры, удерживающие балансируемый ротор i вакуумной камере, а выходы замкнуты на суммирующее решающе« устройство, обеспечивающее коррекцию и управление исполнительны,\ лазером в полном соответствии с остаточным значением неуравновешенно! массы. Система разрядных элементов, расположенных между плоскостям! коррекции ротора и стенками камеры, обеспечивает поддержание разреженш в камере в заданных пределах за счет работы того же исполнительного лазера Работа станка происходит следующим образом.

Перед балансировкой ротора 10 сборку технологической вакуумно! камеры производят так, чтобы фокус оптической системы 7 механизм; корректировки находился на одной лишш с плоскостью коррекции ротора н ( выходом излучения лазера 2. После включения блоков ЭВМ и упрашшощш систем станок готов к автоматической работе по корректировке i балансир; зке. При этом ротор 10 разгоняется до заданных оборотов т включается автоматика.

При синхронной работе лазера в момент прохождения дисбаланса чсре: фокальную плоскость излучения происходи г мгновенный съем массы ротор« за счет механизма испарения материала. Благодаря наличии> электрическом потенциала между поверхностью ротора и внутренней поверхностью втулки ( удаляемая масса интенсивно оседает на внутренней титановой части втулки что приводит к постоянному неизменному поддержанию заданной стенеш рлчрчжен:м внутри камеры, а также к стернльпон чистоте внутреннего объема При достижении заданною значения дисбаланса рошра осуществляют

-4s-

ic. 7.1. Л • ¡ерный балансировочный станок типа ЛБС-1 для балансировки тбо^лых роторов: 1 - лазерный излучатель; 2 - блок автоматического ¡равнения: 3 - вакуум лая камера: 4 - пульт управления станком.

Рис. 7.2. Фун-цнональная схема лазерного балансировочного станка, G.лающего в режиме регулировки — балансировки ротора гнромотора в кууме.

Рис. 7.3 Схема АЛБМ для балансировки шаровых роторов в вакууме

рассчитанный на ЭВМ переход к балансировке по другой плоскости коррекции того же ротора. Для этого используется оптическая система 7, поворотное снование 12, камера 5, блоки решающего устройства 1, 3, 4,8,9 и 11. Это тозводяст вести балансировку как в горизонтальной плоскости вращения ютора, так и в вертикальной (рис. 7.З., 7.4).

В работе дается орнсание нескольких типов АДБМ, разработанных ;пециалыю для сложных видов балансировки шаровых роторов, работаюнцгх > вакууме (рис. 7.3) и одноопорных зеркальных роторов, работающих в шектромагнитном поле (рис. 7.4).

Особенностью шаг эвых роторов является их возможность балансировки I рабочей вакуумной камере за счет осуществления лазерной полировки при »ращении на рабочих оборотах.

Отличительной особенностью оаботы одноопорных роторов является юдвижная система на постоянных магнитах, наличие одной плоскости фиведения дисбаланса при сращении главного момента дисбаланса. Оптическая система считывания показаний и активная схема управления ¡небалансом делает эту систему помехозащищенной при использовании ее в оловках наведения в зенитных ракетных комплексах тина «Игла».

Согласно нормализованному ряду лазерных балансировочных станков 2] для оолее массивных роторов целесообразно применять станки, 1спользующие в качестве исполнительных, лазеры непрерывного принципа (ействня [23]. В последнее время нашли применение методы синфазного фащепия лазерного луча с движением дисбаланса ротора. В этом случае жазывается возможным решить казалось бы парадоксальную задачу — устранить дискретную переменную величину непрерывным излучением лазера. 3 конструкции лазерного балансировочного станка мод. ЛБС-3 эта задача 'спешно решена (рис. 7.5), Особенностью его компоновки является наличие 1ульта управления 1, одновременно управляющего процессом излучения газера и измерительными системами 2, неподвижг чй оптической системой 3 :о световодом, систем й подвески ротора 4 и станиной 5.

Оказалось возможным как в этом станке, так и последующих »азработках, например в станке марки ЛБС-4 (рис. 7.6), управление лазерным |учом с помощью неподвижной оптической системы, когда луч отслеживает щсбаланс ротора безынерционно, а элементы отражателя луча расположены (епосредственно на этом вращающемся роторе. В схеме ЛБС-4 (рис. 7.6) »алансируемое тело вращается электрически независимо от измерительной и гомпенсирующей схем. Это позволило создать схемы станков без радиционных латчк.сов дисбаланса.

Сущность реализации принципа работы таких станков показана на фимере функциональной схемы ЛБС-3 (рис. 7.7). Основными элементами танка являются балансируемый ротор 1, опоры 2, 3, оптические датчики 7. Л, [втоматическая система управления энергией излучения исполнительного 1азера 10— 12, исполнительный лазер непрерывного действия 6, неподвижная

* " < ; -) » % * '"ЧГ1

Рис. 7.5. Лазерный балансировочный станок мод. ЛБС-нредназначенный для балансировки турбомашин и агрегатов: 1 - пуль управления; 2 - оптический канал съема дисбалг са; 3 - сферическо неподвижное зеркало; 4 - балансируемый ротор в опорах; 5 - станина.

Рис. 7.6. Балансировочный станок мод. ЛСБ-4 для балансиров« авиадвигателей и Н1-рсгатоз массой до 600 л-.

»

И 12

Рис. 7.7. Функциональная схема ЛОС-3, обеснечива' чцая омэтическую балансировку в заданных режимах.

нг/мин

ЛО ¡00 250 200 150 100 50

Ю' 21* 20' 1?' № 5>10г

Рис. 7.8. Номограмма для определения основных параметров лазерной шнснровкн, линеаризированная относительно параметра (В—верхний :дел, Н— нижний предел измерении)

оптическая система 5, блок слежения за углом дисбаланса 9. Запуск сташ работу осуществляется с пульта оператора. При этом ротор 1 приводится вращение, а с ним и поворотная оптическая система 4, отклон,.,ошая луч законам геометрической оптики. Лазерный луч проходит через центре отверстие неподвижного сферического зеркала 5, а затем фокусируется поверхности ротора, двигаясь вместе с ним синфазио и непрерывно, чт создает эффект непрерывной балансировки.

По результатам испытаний определяли верхний предел класса точне балансировки. На основе экспериментальных и теоретических исследова> проведенных в работах, разработаны расчетные номограммы точносп производительности ЛБС.

На номограмме расчета точности и производительности балансировк! ЛБС-3 при использовании импульсных режимов лазеров (рис. 7.8) вертикальным осям отложены предельные значения относителы остаточного дисбаланса [е] в микрометрах И' значения энергии излуче лазера в джоулях; по горизонтальным осям — частота враще балансируемого ротора при номинальном радиусе коррекции 1 ск производительность балансировки ц.

Расчет по номограмме производится следующим образом, известных значениях энергии в импульсе и числе импульсов п в минут шкале выбирается наиболее вероят ый энергетический режим, а по ип ар — число оборотов в реальном случае; далее строится вертикаль пересечения с наклонной линией от указанных значений . Расчетная точ будет определять верхние В и нижние Н значения производительности г точности л С!0 балансировки, например для -= 40 Дж и частоты вращ< ротора <ар = 12 ООО об/мин, расчетная точка Р показывает, что АО буд пределах 0,6—0,2 мкм, а г/„, =25—15 мг/мин при числе импульсов п= 4.

Аналогично рассчитываются режимы и для ЛБС-1, ЛБС-2 и ЛБС-4.

Основные выводы и результаты

1. В результате проведенных теоретических и экспериментам исследований процесса взаимодействия лазерного излучения поверхностью балансируемых роторов машин и механизмов п ка возможность и практическая целесообразность балансировки оборудовании с использованием лазерной техники для шир' номенклатуры изделий, работающих в различных ррои_.водстве1 условиях, вращающихся с различными критическими и докритичест скоростями. .

2. При разработке и исследовании структурных моделей метод средств лазерной балансировки учитывалась многофакторпая струк

эоцесса балансировки, в которой ротор представлялся как сложный объект обобщенными динамическими параметрами, замкнутыми через обратную грицательную связь с исполнительными структурами станка. Этот подход казался плодотворным и позволил решить задачу разработки оптимальной оделн лазерного балансировочного станка с замкнутой автоматическом

)язью.

Практическим результатом этого теоретического подхода к решению груктурных задач явилось преодоление трудности возникшей в связи с травлением дискретной величиной дисбаланса вращающегося ротора епрерывной энергетической величиной исполнительного лазера. Найденное рнгиналыюе решение позволило создать лазерные балансировочные станки использованием лазеров непрерывного действия, энергия излучения эторых практически неограниченна, что в свою очередь, привело к ззданшо ЛБС для уравновешивания ступеней роторов авиадвигателей, >рбин и других агрегатов.

3. На основе экспериментальных исследований объектов алансировки широкой номенклатуры определены основные соотношения ежду массовыми энергетическими и технологическими параметрами оторов и структурными схемами ЛБС.

При этом установлено, что этот класс станков позволяет еаризировать казалось бы несовместимые конструктивно-технологические аметры: ■•тстоту вращения И'р, энергию излучения V/ и массовые аметры и при балансировке роторов различных типоразмеров

;/(И';р). При этом хорошая сходимость результатов получена как для до так . резонансных режимов вращения поторов.

4. С целью создания оптимальных разработок конструкций для мышленпости с высокой то .юстыо и производительностью балансировки педован синфазный метод управления лазерным лучом одновременно с женнем дисбаланса. Полученные при этом практические результаты волили создать ряд практических устройств, решающих проблему вновешивания одно, двух и многомассовых систем и определения 1много влияния различных масс роторов в сборе, что открывает ложность автоматизации наиболее сложных и дорогостоящих нологических операций по балансировке роторов турбин и агрегатов.

5. С целью получения высокой точности и производительности лазерных (жов проведены всесторонние исследования их энергетических, массовых и нологических характеристик, что позволило методами планирования пернмешов и автоматизированного проектирования разработки оценивать ¡даемые точность и производительность балансировки.

При этом получена хорошая сходимость результатов за счет применения ого комплекса новых и оригинальных приемов и решений. Так при дедованми методов и средств балансировки роторов турбогенераторов ществлхлось измерение и преобразование полезного сигнала по оптическим

когерентным каналам связи с использованием нового метода адапгаш аппаратуры к внешним условиям, основанный на модовом принципе, а качестве блоков фильтрации использовался оптический квантовый генератс работающий на методе измерения внутренних потерь, модулируем! неравновесным колебанием ротора.

6. Разработаны и исследованы новые виды и формы балансировк например, балансировка роторов в вакууме, создаваемым самим лазером процессе балансировки.

В ходе экспериментальных исследований установлена возможное такого построения технологического процесса, что достижение наилучше качества балансировки достигается последовательным обходом вс действующих масс, значения величины дисбаланса и прогиба вала котор! решаются ЭВМ.

Для решения технологической задачи предложена и решена пробле микро-ЭВМ, решающих параллельную задачу обсчёта и управлен конструктивно-технологическими параметрами для чего созд математический аппарат и физические принципы программирования.

7 В ходе экспериментальных исследований ЛБС по методам обсч< коэффициентов взаимовлияния, учитывающих массовые и упругие парамет балансируемого ротора в сборе, получены результаты, позволившие созд: оборудование для балансировки мног массовых систем, причём измерен регистрация, обсчёт и управление на ЭВМ исправлением степе неуравновешенности, производятся лазерным путём практически за оI технологическую операцию.

8. На основе произведенной работы созданы автоматизнрованн лазерные балансировочные станки .и различное эксперименталы оборудование и аппаратура, способные работать в ряде отраш промышленности и в тех случаях, когда другими методами и средствами Л1 достигался худший результат, либо балансировка роторов машин, приборо механизмов вообще не возможна.

9. Разработаны рекомендации по применению как импульсных мето; лазерной балансировки, так и балансировки роторов непрерывным излучеш лазера для достижения хорошей сходимости результатов при уравновешива! роторов массой 1,5-2 тонны в сборе при наличии коэффициентов влиян определяющих податливость многомассовых систем при воздечеп неуравновешенной массы. Для решения этой сложной задачи созд. устройства и методы одновременного измерения и устранения дисбалан вдоль вращающегося вала. Приводятся методические указания и фактичес рекомендации по проведению такой балансировки на станках ЛБС-4; ЛБС Предлагаются конкретные приёмы и экспериментальные установки осуществления" автоматизированных методов с использован! принципиально нового метода физического программирова

- "ьЛ'

гхнологического процесса по управлению микро-ЭВМ. Расчёты и примеры ведены в разделы приложения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. Уравновешивание вращающихся масс гироприборов. Л., Судостроение, 1977, с. 248.

Суминов В.М., Скворчевскин А.К. Уравновешивание тел лучом лазера. М., Машиностроение, 1974, с. 176.

Суминов В.М., Промыслов Е.В., Скворчевскин А,К., Б.Г. Кузин. Обработка деталей лучом лазера. М., Машиностроение, 1969, с. 284.

Левит М.Е., Агафонов Ю.В., Скворчевский А.1С. и др. Справочш..< по балансировке, М., Машиностроение, 1992, с. 464.

Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. Оптимизация лазерных балансировочных станков по точности' и технологическим параметрам. "Вестник машиностроения", 1980, № 2, с. 17-20.

Скворчегокий А.К., Промыслов Е.В. Электрофизические методы балансировки роторов. // В книге: Современные методы и средства балансировки машин и приборов. Под ред. В.А. Щепетильникова, М., Маынностроение, 1985, с. 126-154.

Фролов К.В., Скворчевский А.К., Быковский Ю А., Королева И П. Технологическое развитие принципов биомеханики вестибулярного аппарата человека для уравновешивания вращающихся масс. М., Машиностроение, "Автоматизация и современные технологии", № 1, 2000, с. 2-5.

Скворчевский А.К. Автоматические лазерные балансировочные машины. М., Машиностроение, "Автоматизация и современные технологии", № 1, 2000, с. 9-22.

Образцов И.Ф., Скворчевский А.К., Сахвадзе Г.Ж., Новиков А.Б. Автоколебательный эффект при решении задач качества. //Качество: Теория и практика, 1099, №2, с. 7-13.

'д. Тимофеев С.А., Новиков А.Б., Скворчевский А.К. Методы и средства технологии балансировки на транспорте. М., Машиностроение, "Автоматизация и современные технологии", № I, 2000, с. 5-7.

11. Скубриева А.И., Скворчевский А.К., Хорикова Э.А. Обзор зарубежно: балансировочного оборудования для точного приборостроения. //В книг "Уравновешивание машин и приборов", под ред. В.А. Щепетилышков М., Машиностроение, 1965, с. 548-558.

12. Суминов ' В.М., Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. Некоторт особенности динамического уравновешивания быстровращающнхся т> световым лучом лазера. // В книге: "Теория и практика уравновешиван] машин и приборов", под ред. В.А. Щепетилышкова, N Машиностроение, 1970, с. 238-246.

13. Суминов В.М., Скворчевский А.К. Исследование точное уравновешивания роторов лучом оптического квантового генератора. II книге: "Теория и практика балансировочной техники", под ре В.А.Щепетилышкова, М., Машиностроение, 1973, с. 21-27.

14. Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. Модель процесса лазерна взаимодействия на поверхности роторов в зоне удален неуравновешенной массы. // В книге: "Уравновешивание роторов механизмов", под ред. В.А. Щепетилышкова, М., Машиностроение, 19" с.190-193.

15. Промыслов Е.В., Скворчевский А.К. Общие принципы построен автоматических балансировочных станков. // В книге: "Уравновешиван роторов и механизмов", под ред. В.А. Щепетилышкова, Г Машиностроение. 1978, с. 295-298,

16. Промыслов Е.В., Скворчевский А.К. Чадии A.B. Лазера балансировочный станок (ЛБС-74-МИИГА). // В кни "Уравновешивание роторов и механизмов", под ред. В Щепетилышкова, М., Машиностроение, 1978, с. 298-300.

17. Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. Электрофизические спосо балансировки. // В книге: "Балансировка машин и приборов", под р В.А.Щепетнльиикова, М., Машиностроение, 1979, с. 194-217.

18. Скворчевский А.К. Исследование точности динамическ< уравновешивания роторов гиромоторов лучом оптичеекчно квантов* генератора. МАТИ. Автореферат кандидатской диссертации, М., 1969.

- & •

). Скворчевский А. К., Суминов В.М. и др. Некоторые особенносгн испарения материалов в луче оптического квантового генератора. М., Машиностроение, "Авиационная Промышленность", № 4, 1967, с. 37-45.

). Кубланов С.Г., Самсаев Ю.А., Скворчевский АК. н др. Система классов точности балансировки. ГОСТ 22061-76 и методические указания, М , Издательство Стандартов, 1977, с. 140.

1. Скворчевский А.К., Промыслов Е.В., Мнлько М.М. Исследование взаимодействия лазерного луча с материалами при балансировке. М., Машиностроение, "Авиационная Промышленность", № 12, '979, с. 12-17.

2, Суминов В.М., Скворчевский А К. Влияние струн сжатого воздуха на процесс обработки материалов лучом лазера, М„ Машиностроение,"Авиационная Промышленность, № 2, 1970, с.

?. Суминов В.М., Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. Установка для динамической балансировки роторов гиромоторов. // ас. № 190641, Бюллетень № 2, 1967. Приоритет от 15. 07. 1965.

4. Скворчевский А.К., Суминов В.М. и др. Устройство для определения величин!., и места дисбаланса шаровых роторов. // а.с. № 213394. Бюллетень № 10, Приоритет от 10.12.1966.

5. Суминов В.М., Скворчевский А.т", Промыслов Е.В. и др. Автоматическая лазерная установка// а.с. № 240885, ДСП, Приоритет от 20.10.1967.

6. Скворчевский А.К., Суминов В.М., Кузин Б.Г. Устройство для динамического уравновешивания вращающихся тел. // а.с. № 258679, ДСП, приоритет от 01.09.1967.

7. Скворчевский А.К., Суминов В.М., Качалин В.И. Устройство для компенсации дрейфа гиропрнборов. // а.с. № 267940, ДСП, приоритет рт 05.11.1968.

8 Суминов В.М., Кузин Б.Г., Скворчевский А.К., Качалин В.И. Устройство ' для лазерной обработки. II а.с. .№>295350, ДСП. Приоритет от 18.10.1968.

9. Скворчевский А.К., Суминов В.М. Устройство для уравновешивания электронно-оптических роторов. П а.с. № 296011. Бюллетень X" 8, от 14.04.1071. Приоритет от 14.07.1968.

-яг-

30. Суминов В.М., Скворчевский А.К. Устройство для уравновешиваю роторов гиромоторов. //а с. № 300794. ДСП. Приоритет от 25.06.1968.

31. Суминов В.М., Качалин В.И., Скворчевский А.К. Способ определен) взаимного положения элементов и деталей гироскопических приборе //а.с. № 301535. ДСП. Приоритет от 05.11.1968.

32. Скворчевский А.К., Суминов В.М. Устройство для уравновешивай вращающихся масс. II а.с. № 335562. ДСП. Приоритет от 04.03.1970.

33. Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. Способ балансировки рото гироскопа, //а.с. № 377654. ДСП. Приоритет от05.04.1971.

34. Скворчевский А.К. и др. "Лазерная решётка" // а.с. № 643040. ДС Приоритет от 16.01.1976.

35. Скворчевский А.К. Лазерный излучатель. // а.с. № 648009. ДС Приоритет от 06.05.1976.

36. Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. и др. Устройство л уравновешивания валатурбомаши"Ы. // а.с. № 678936. ДСП. Приоритет

10.08.1977.

37. Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. и др. Способ измерения параметр вибрации и устройство для его осуществления. // а.с. № 728472. ДС Приоритет от 24.11.1978.

38. Промыслов Е.В., Скворчевский А.К. и др. Лазерный виброметр. // а.с. 725473. ДСП. Приоритет от 24.11.1978.

39. Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. и др. Устройство д уравновешивания гурбомашин. Н а.с. № 736733. ДСП. Приоритет

27.12.1978.

40. Промыслов Е.В., Скворчевский А.К. и др. Лазерное устройство д измерения параметров вибрации. // а.с. № 741635. ДСП. Приоритет 24.11.1978.

41. Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. Устройство для балансиров роторов. // а.с. № 938042. Бюллетень № 23 от 23.06.1982.

2. Промыслов Е.В., Скворчевский А.К. Способ удаления покрытия с поверхности авиационных материалов. II а.с. № 10098238. ДСП. Приоритет от Зо. 12.1980.

3. Скворчевский А.К. и др. Устройство для нанесения покрытия в вакууме II а.с. № 970894. ДСП. Приоритет от 30.12.1980.

4. Скворчевский А.К., Промыслов Е В. н др. Вакуумный насос. // ас№ 893078. ДСП. Приоритет от 29.12.1979.

5. Скворчевский А.К. и др. Устройство для уравновешивания роторов большой массы, //а.с. № 982443. ДСП. Приоритет от 05.10.1978.

5. Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. и др. Устройство для балансировки ротора гироскопа. // а.с. N2 805732. ДСП. Приоритет от 27.12.1978.

7. Скворчевский А.К. 11 др. Устройство для уравновешивания тел вращения. // а.с. № 820373. ДСП. Приоритет от 27.12.1979. '

8. Промыслов Е.В., Скворчевский А.К. и др. Приёмо-передающее устройство. // а.с. № 820434. ДСП. Приоритет от 27.12.1979.

). Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. Устройство для балансировки роторов гироскопов, //а.с. № 1123359. ДСП. Приоритет от 21.01,1983.

'). Скворчевский А.К. и др. Устройство коммутации токов, //а.с. № 1077543. ДСП. Приоритет от 25.12.1^1.

I. Скворчевский А.К. и др. Устройство для восстановления газоразрядной трубки, //а.с. № 1123441. ДСП. Приоритет от 25.12.1981.

Промыслов Е.В., Скворчевский А.К. н др. Приёмо-передающая система. // а.с. № 1096889. ДСП. приоритет от 21.01.1983.

$. Скворчевский А.К.. Промыслов Е.В., Лагун В.Н. Лазерный виброметр. // а.с; № 1052071. ДСП. Приоритет от 17.12.1980.

1. Скворчевский А.К., Промыслов Е.В. и др. Устройство для балансировки шаровых роторов. // а.с. № 938040. Бюллетень № 23, от 23.06.1982.

>. Скворчевский А.К., Промыслов Е.В, и др. Устройство для балансировки вибрационных роторов гироприборов. // а.с. № 938043, бюллетень К« 23. Приоритет от 25.06.1982.

5Я

56. Скворчевскнй А.К., Промыслов Е.В. Устройство для балансировкн т« вращения. // а с. № 820372. ДСП. Приоритет от 27.12.1979.

57. Скворчевскнй А.К. и др. Способ балансировки роторов и устройство ai его осуществления. // а с. № 943546, бюллетень № 26, от 15.07.1982.

58. Скворчевскнй А.К. и др. Устройство-для динамического уравновешивай! тел вращения в вакууме. // а.е. № 515955, бюллетень № 20, от 22.06.1976.

59. Промыслов Е.В., Скворчевскнй А.К. и др. Способ балансировки рото| гироскопического прибора в вакууме. // а.с. № 571111. ДСП. Приорит ot16.12.1974.

60. Скворчевсклй А.К., Промыслов Е.В. Устройство для статическо уравновешивания гироузла. // а.с. № 428699. ДСП. Приоритет -28.04.1971.

61. Скворчевскнй А.К. и др. Устройство для коммутации электрическо тока. // а.с. № 534143. ДСП. Приоритет от 27.01.1975.

62. Скворчевскнй А.К., Промыслов Г.В. и др. Лазерная балансировочн машина, //а.с. № 541393. ДСП. Приоритет от 22.10.1975.

63. Скворчевскнй А.К. и др. Устройство для балансировки вращающего тела. //а.с. №541394. ДСП. Приоритет от 22.10.1975.

64. Скворчевскнй А.К., Промыслов Е.В. и др. Устройство для автоматическ балансировки роторов в процессе их вращения. // а.с. № 563890. ДС Приоритет от 19.11.1974.

65. Скворчевскнй и др. Устройство для автоматического уравновешиван тел вращения. // а.с. № 586708. ДСП. Приоритет от 30.03.1976.

66. Фролов К.В., Скворчевскнй А.К., Сахвадзе Г.Ж. Патент РФ 2000923.

67. Фролов К.В., Скворчевскнй А.К., Сахвадзе Г.Ж. Патент РФ № 2000968.

68. Мильк М.М., Скворчевскнй А.К. Патент РФ № 2000912.

69 Сахвадзе Г.Ж., Скворчевскнй А.К., Потёмкин Б.А., Новиков А.Б. одном механизме улучшения механических характеристик материалов г комбинированной обработке непрерывном и импульсным лазерами

Труды пятой международной конф. "Проблемы управления безопасностью сложных систем". -Т.2. - Москва, 1998. - С. 212-214.

3. Сахвадзе Г.Ж., Скворчевскнй А.К., Растягаев В.И. Использование эффеюа гидролазерного обострения при проектировании новых лазерных балансировочных станков. // Труды Всесоюзн. конф. "Современные методы и средства уравновешивания машин и прлборов". - Воронеж. 1989.-С. 11-13.

I. Скворчевский А.К., Новиков А.Б., Сахвадзе Г.Ж. Разработка портативных виброакустическпх дозиметров. И Труды научного семинара под руководством академика К.В. Фролова. - Москва, 1998. - С. 182-190.

I. Frolov К. V., Skvorchevsky А.К., Sakhvadze G.J. Effect of the hydrolazer peaking and mechanical phenomena, connected to it // Russian Technc.ogy-

1995,- P. 6-7.

?. Frolov K.V., Saklivadze G.J., Skvorchevsky A.K. Research of the self-oscillations at effect of laser radiation on the system "Structure-fluid" // 5-th International Congress on Sound and Vibration. - St. Petersburg, Russia -

1996.-V. 2 - P. 1039-1044.

I. Skvorchevsky A.K., Saklivadze G.J., Frolov K.V. Research of features of destruction of composite heat-shielding coating by laser radiation // Russian Tecnnology. - 1995. - P. 8-9.

>. Frolov K.V., Skvorchevsky л.К. Machines for Rotors and Mechanisms Laser Balancing. // Russian Technology - 2, 1996, P. 5.

>. Skvorchevsky A.K., Frolov K.V. Technological Medium-Powered CO-2 Laser //Russian Technology 1996, P. 6.

Skvorchevsky A.K. Device for Laser-Jet Balancing // R us tan Technology -2, 1996.-P. 7.

[ Frolov K.V., Skvorchevsky А.К/ Device for Rockets and Satellites Balancing. // Russian Technology - 2, 1996, P 8.

Skvorchevbsky A.K. Laser Vacuum Pumps. // Russian Technology - 2, 1996 P. 9.