Tổng quan về mất cân bằng
Lịch sử phát triển trong và ngoài nước
Trong khoảng 100 năm trở lại đây, công nghệ cân bằng liên quan chặt chẽ đến cái tên Carl Schenck Năm 1908, các công ty con của Darmstadt đã tạo nên một chiếc máy cân bằng đầu tiên Tuy nhiên điều này không có nghĩa là nó đã không được thảo luận từ trước Thực tế là ngay cả những rotor động cơ hơi nước cần phải chạy êm làm cho máy cân bằng trở thành một điểm quan tâm ngay cả những ngày đầu Ngày nay chúng ta nhận ra thật khó tin là việc cân bằng của một rotor tua bin hơi mất 3- 4 tuần lao động thủ công trong những ngày đầu của ngành công nghiệp.
Khoảng 150 năm trước đây, công nghệ có sẵn là tương đối đơn giản, và kết quả của quá trình cân bằng không chính xác cho lắm Nồi hơi nổ, bánh xe hao mòn nhanh tạo thành một mối nguy hiểm nghiêm trọng Thiếu sự cân bằng chất lượng cũng gây ra cho vòng bi bị hư hại một cách nhanh chóng Các kỹ sư kinh nghiệm nhận thấy những nguy hiểm và bắt đầu tìm kiếm các giải pháp Kỹ sư người Canada H Martinson là một trong những người đầu tiên trong lĩnh vực này.
Năm 1870 ông được cấp bằng sáng chế đầu tiên cho máy cân bằng Tuy nhiên, không có hồ sơ để nói lên rằng liệu máy này thực sự làm việc, hoặc cho dù nó đã từng được chế tạo với số lượng lớn Khi kỹ thuật phát triển nhanh chóng, những vấn đề gây ra bởi rung động rotor càng rõ ràng Công nhân đòi hỏi rất nhiều kỹ năng, kinh nghiệm và khoảng 3-
4 tuần lao động để cân bằng tĩnh rotor trên dao cạnh bằng phương pháp “roll-off” Một giải pháp khả thi đã được miêu tả năm 1907 của Tiến sĩ Ing Franz LAWACZECK có tên
"Zur Theorie under Konstruktion Balanziermaschine" ( Lý thuyết và thiết kế của một máy cân bằng ).
Năm 1908, Carl Schenck, người đã bắt đầu tìm kiếm chủ đề của "roll-off" cân bằng tại thời điểm đó, đã ký kết một thỏa thuận với Lawaczeck Các nguyên tắc của Lawaczeck vẫn còn hiệu lực ngay cho đến những năm bốn mươi: Nó bao gồm một lắc gắn cố định về phía một trong những rotor và mang một cái ở phía bên kia Sau khi chỉnh ban đầu trong một mặt phẳng, các rotor đã được cài đặt lại.
Năm 1915 Schenck lấy giấy phép trên toàn thế giới duy nhất cho máy này.
Năm 1935 một máy được cấp bằng sáng chế ở Mỹ, có tính năng cảm ứng rung điện động lực mở đường một thay đổi tới một thiết kế mới.
Vào 1942 Schenck được cấp một bằng sáng chế cho "Phương pháp và phương tiện để giữ thăng bằng động bởi sự xác định vị trí góc của sự mất thăng bằng bằng phương pháp một đường cong tuần hoàn hiển thị trên màn ảnh Đây là hệ thống giữ thăng bằng đầu tiên thích hợp.
Vào 1953 sự xuất hiện của máy đo không gian vector mang đến một sự tiến bộ hơn nữa Sự kết hợp của cả những giá trị trong một bộ phận hiển thị đơn lẫn những giá trị chính xác trong mẫu được hiển thị trên một màn ảnh một cách đơn giản quá trình giữ thăng bằng, sự mất thăng bằng bây giờ rõ ràng.
Ngay cả ngày nay, vectormeter là một phần không thể thiếu của các công cụ đo lường hiện đại, một thực tế là phương pháp chứng minh cho thấy vị trí và độ lớn của mất cân bằng về dụng cụ đo hiện đại với màn hình hiển thị.
Các ngành kinh tế kỹ thuật nhanh chóng phát triển trong thời kỳ chiến tranh đánh dấu bước phát triển mới của công nghệ cân bằng Cho đến thời điểm hiện tại, ngành công nghiệp ô tô, hàng không và công nghệ hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp điện và cơ khí với yêu cầu về cân bằng liên tục tăng để đảm bảo cho sự phát triển của nó liên tục.
Hình 1.1 Cân bằng trong ngành hàng không Đầu những năm 50 một phương thức hoàn toàn mới đã được phát triển để sản xuất khối lượng lớn các trục Nhu cầu về điện ngày càng tăng cho nên dẫn đến các nhà máy điện lớn hơn đang được xây dựng để tăng khả năng đáp ứng điện năng Sự phát triển củaDòng RI và cân bằng DI và hơn hết tốc độ kiểm tra cho tua bin và máy phát điện đã làm cho nó có thể cho tính toán chính xác về sự mất cân bằng của khối quay với tổng trọng lượng lên đến khoảng 80 tấn Trong thời gian này, ngành công nghiệp hàng không vũ trụ nổi lên như một đối tác mới Các máy cân bằng đầu tiên cho các vệ tinh và tên lửa được phát triển.
Hình 1.2 Máy cân bằng cho tên lửa
Sau 1968 các máy cồng kềnh đang trở nên ngày càng phổ biến trong các ngành công nghiệp Mặc dù các mô hình ban đầu đã không đạt được độ chính xác cao nhưng nó đã có một lợi thế thực tế trong hoạt động hàng ngày ở nhiều lĩnh vực và nó đã nhanh hơn đáng kể Không có nhu cầu hiệu chuẩn cho một rotor cụ thể, tất cả các nhà điều hành máy phải làm được để đưa vào một số kích thước hình học cơ bản và bắt đầu chạy cân bằng, trên máy hiển thị cường độ và vị trí góc của mất cân bằng Đây là một lợi thế đáng kể, được cách mạng tại thời điểm này Ngày nay, loại máy cân bằng tốt nhất, ngoại trừ các loại máy dành cho các mục đích cụ thể, hoạt động theo nguyên tắc này.
Trong những năm 70, các cơ sở cơ khí cho các máy cân bằng về cơ bản đã được thành lập Điện tử xuất hiện trong cân bằng và công nghệ chẩn đoán Năm1971 các đồng hồ đo điện tử đã được giới thiệu, chiếc máy đầu tiên điều khiển hệ thống cân bằng đã được giới thiệu vào năm 1974 Tiếp theo sự thay đổi lớn đi kèm với sự nổi lên của công nghệ kỹ thuật số: Vào đầu những năm 80, vi xử lý bắt đầu xuất hiện trong các hệ thống đo lường.Cho đến những năm 1870, việc cân bằng vẫn chưa được biết đến, hoặc chưa cần thiết,trong hầu hết các ngành công nghiệp Điều ngoại lệ chính là bánh xe nước và cối xay gió.
Những bánh xe này cần phải được cân bằng tĩnh để chúng có thể xoay với tốc độ không đổi, đặc biệt khi nước hay lưu lượng gió thấp Sự không cân bằng trong các cánh quạt và bánh xe gây ra sự biến động trong tốc độ xay của bánh xe Một trong số bánh xe nước không cân bằng có thể chuyển động sau khi bị dừng trong một lúc và nước đã bị cạn trong những cái gáo Phải có đủ lượng nước để khắc phục ma sát và bánh xe không cân bằng. r Hình 1.3 Bánh xe nước
Việc cân bằng thúc đẩy một tiến trình hiệu quả và tiết kiệm chi phí Người chủ phải biết cách làm thế nào để cân bằng cánh buồm hoặc bánh xe nước và đã thành công khi có thể hoạt động trong điều kiện lưu lượng gió, nước thấp, phù hợp hơn với điều kiện xay xát, thêm thời gian họat động và sản phẩm có chất lượng cao hơn
Tuy nhiên, thành công của những khách hàng hiểu biết đã làm cho thị trường có ảnh hưởng lớn và kết quả là sự tiếp quản của bất kỳ đối thủ không cân bằng Để bảo vệ cho kiến thức của mình, nhà tư vấn về cân bằng sẽ thêm vào các nghi thức và những chỉ dẫn sai để mà quá trình đơn giản của việc cân bằng trở thành một thứ ma thuật và các nhà tư vấn đã bị đổi tên thành “ phù thủy cân bằng” sẽ làm những máy móc họat động trơn tru và đáng tin cậy nhưng giống như những thầy phù thủy cổ xưa.
Các dạng mất cân bằng thường gặp
Rotor bị mất cân bằng là nguyên nhân của phần lớn các rung động cơ học trong hệ thống Vì thế khi hệ thống có rung động bất thường, đầu tiên người ta nghĩ tới mất cân bằng Rotor, các nguyên nhân gây mất cân bằng:
+ Do kết cấu không đồng nhất khi chế tạo rotor.
+ Do rotor biến dạng trong quá trình hoạt động.
+ Do rotor bị nứt vỡ một vài bộ phận.
+ Do rotor bị cong trục sau khi không hoạt động trong một thời gian dài.
+ Do các thành phần lắp ghép của rotor có sự xê dịch trong lúc hoạt động.
Nếu trọng tâm của rotor không trùng với trục của rotor Đối với các rotor ngắn, có thể xem như thêm một khối lượng dôi dư tại một vị trí nào đó ngoài mặt rotor Đối với các rotor dài, có thể xem như có hai khối lượng dôi dư nằm cùng hướng ở hai đầu rotor Mất cân bằng tĩnh có thể gây ra rung động trên 2 gối trục hai đầu rotor Hai gối trục này sẽ rung động cùng pha với nhau.
Trọng tâm của rotor vẫn trùng với trục quay, nhưng moment quán tính lại không trùng với trục Mất cân bằng moment thường chỉ xảy ra với các rotor dài Có thể xem như hai khối lượng dôi dư nằm ở hai đầu rotor, nhưng nằm đối xứng với nhau góc 180 0
Khi rotor quay, hai đầu trục khi đó sẽ ngoáy ngược hướng với nhau, tạo thành các rung động lệch pha với nhau 180 0
Nếu rotor vừa bị mất cân bằng tĩnh vừa bị mất cân bằng moment, thì nó đã bị mất cân bằng động Mất cân bằng động xem như rotor có hai khối lượng dôi dư có độ lớn khác nhau ở hai đầu, và góc lệch nhau bằng một góc khác không, khác 180 0 Vì thế khi rotor quay sẽ làm hai gối trục rung động với biên độ và góc pha khác nhau Các thành phần lõi rotor khi chế tạo đã được cân bằng tĩnh chính xác tại xưởng Các chi tiết khi lắp vào rotor, thí dụ như các cánh Tuabin và các cánh máy nén đã được cân chính xác, và dùng các phần mềm chuyên dụng để phân phối đều các cánh trong vòng tròn Vì thế các cánh đều phải được đánh số, và kèm theo một sơ đồ vị trí để lắp ráp trên vòng tròn Sau khi lắp ráp toàn bộ, rotor lại được cân bằng động lần cuối trong buồng chân không Vì thế độ rung của rotor rất thấp Tuy nhiên, khi ra hiện trường, nếu có xuất hiện mất cân bằng bất thường, người ta sẽ phải cân bằng động lại Ngoài ra các rotor bị biến dạng theo kiểu cong trục, hoặc xê dịch các vị trí lắp ghép, sẽ được sử lý bằng một phương pháp đặc biệt, là cho quay với tốc độ cao hơn tốc độ cộng hưởng cấp 1 để giúp cho trục được tự động nắn thẳng trở lại Thường biện pháp này được làm tại hiện trường và hoạt động tại các điều kiện về áp suất nhiệt độ làm việc Do đó phương pháp này gọi là phương pháp sấy nắn trục Dùng phương pháp sấy nắn trục, ban đầu phải cân bằng động trước để giảm độ rung tới xuống mức thấp nhất mà mình có thể thực hiện được Tất nhiên rất khó có thể đưa về mức tốt sau đó chạy sấy Khi trục được dần đưa về trạng thái tốt, độ rung sẽ giảm dần đến một mức độ nào đó Khi ấy thì các gia trọng dùng để cân bằng động đã lắp trước trở thành nguyên nhân gây rung Và độ rung sẽ tăng lên trở lại, khi đó phải tháo bớt gia trọng ra và tiếp tục chạy sấy nắn trục Việc sấy nắn trục coi như kết thúc khi tất cả các gia trọng đã lắp trước trước đó tháo ra hết và độ rung của máy trở về trạng thái tốt.
Hình 1.8 Dạng mất đồng trục
Hai thiết bị nối trục với nhau thí dụ như động cơ - bơm, turbin - máy phát, máy Diesel
- máy phát điện, cần phải có yêu cầu nối đồng trục với nhau Tuy nhiên khi chế tạo một số thiết bị gia công không hoàn toàn chính xác nên có khả năng khi lắp ráp với nhau sẽ mất đồng trục Mất đồng trục có thể chia làm 3 loại: a) Mất đồng trục song song
Thí dụ trục của cái này cao hơn cái kia, hoặc một trục nằm sang phía bên phải trục khác Nghĩa là hai tâm trục không trùng nhau và trục vẫn song song với nhau Mất đồng trục song song thường gây rung ở hai gối trục giữa, tức hai gối trục hai bên khớp nối, thường gọi là bệ trục số hai và số ba Do không đồng trục nên độ rung sẽ có hai thành phần ngược chiều nhau Sự tương tác qua lại giữa hai gối trục sẽ làm cho độ rung sẽ tăng lên cực đại hai lần trong một chu kỳ, phổ tần sẽ có thành phần họa tần bậc hai cao.
Hình 1.9 Mất đồng trục song song b)Mất đồng trục do lệch góc
Tại khớp nối tâm trục có thể trùng với nhau nhưng hai trục không nằm trên đường thẳng mà hợp thành với nhau một góc Độ rung cũng tập trung ở hai gối trục giữ nhưng do lệch góc khi quay có thể làm thay đổi độ uốn của trục theo chu kỳ Độ rung cũng có nhiều họa tần và ngoài ra còn sinh ra độ rung dọc trục.
Hình 1.10 Mất đồng trục do lệch góc c) Mất đồng trục hỗn hợp, vừa lệch tâm trục, vừa lệch góc
Hỗn hợp của 2 loại mất đồng trục trên, các nguyên nhân gây ra mất đồng trục:
+ Bản thân thiết bị khi mang đi lắp đặt chưa được cân chỉnh tốt.
+ Khi ở trạng thái tĩnh, trục hơi bị võng xuống Nếu căn chỉnh theo trạng thái này thì khi quay, trục duỗi thẳng trở lại sẽ gây mất đồng trục Vì thế khi căn chỉnh phải căn chỉnh theo một góc nhỏ để bù lại (căn hở miệng).
+ Khi ở trạng thái nguội, các trục có thể ngang hàng với nhau Nhưng khi nóng lên thì một giá đỡ của gối trục nào đó sẽ giãn nở nhiều hơn các gối khác và làm cho gối đó cao hơn, khi đó từ đồng trục sẽ chuyển sang mất đồng trục Vì thế khi căn chỉnh ban đầu, phải căn chỉnh bù trừ cao thấp.
Nếu hai trục không nối trực tiếp với nhau mà nối qua trung gian bộ đổi tốc Ta phải căn chỉnh đồng trục giữa ba thiết bị: Trục một với bộ đổi tốc, bộ đổi tốc với trục hai Tuy nhiên khi có lực kéo, do lực tương tác của các bánh răng, một trong hai trục hoặc cả hai trục sẽ bị đẩy lệch đi so với vị trí ban đầu, gây mất đồng trục Vì thế khi căn chỉnh ban đầu phải bù trừ sự di chuyển này.
Sau một thời gian vận hành, các gối trục bị mòn không đều, các bánh răng cũng bị mòn đi hoặc hở ra Vị trí lắp đặt các gối trục có thể bị sê dịch gây mất đồng trục Xử lý độ rung khi mất đồng trục: Căn tâm lại, với điều kiện môi trường tốt. d) Cong trục
Một rotor trục dài rất dễ có khả năng cong trục, các nguyên nhân gây cong trục:
+ Khi rotor không quay, trọng lượng của bản thân nó làm cho trục hơi bị võng xuống.
Nhưng khi quay sang vị trí khác, thì độ biến dạng do võng không còn và nó lại võng theo vị trí mới Nếu trục bị giữ một vị trí cố định ở một thời gian quá lâu, độ võng sẽ không phục hồi trở lại được.
+ Khi rotor các máy làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, sự giãn nở không đồng đều ở các khía đối với nhau cũng có thể gây ra cong trục Thí dụ như lúc máy mới ngừng, không khí bên trong xylanh turbin rất nóng Nếu rotor đứng yên thì phần trên sẽ nóng hơn phần dưới, do đó phần trục phía trên cũng giãn nở dài hơn phần trục phía dưới kết quả là trục bị cong lên Tuy nhiên độ cong này chỉ là tạm thời, khi nhiệt độ trở lại đều hoặc khi quay trục thì sẽ mất đi.
Vì thế các rotor trục dài thường luôn được lắp đặt một bộ phận quay trục, để chống cong trục Khi bị cong trục, nó sẽ tác động như mất cân bằng trọng tâm nên ta xử lý bằng cách cân bằng động để bù vào, khi đó trọng tâm sẽ được kéo về trục và độ rung giảm Tuy nhiên trong trường hợp này lại nảy sinh vấn đề khác Khi rotor quay với tốc độ cao, nó sẽ có khuynh hướng duỗi thẳng trở ra, khi đó những khối gia trọng dùng để cân bằng động lại trở thành tác nhân gây rung Từ đó sẽ làm cho độ rung tăng trở lại từ từ với góc lệch pha 180 0 so với độ rung ban đầu, nên ta phải tiến hành cân bằng lại.
Phương pháp xử lý cong trục thường được gọi là "sấy nắn trục", sẽ gồm nhiều bước sen kẽ: cân bằng, chạy ở tốc độ cao, cân bằng Nếu các độ rung không vượt quá tiêu chuẩn thì có thể kết hợp các lần chạy nắn trục với phát điện.
1.3 Nguyên nhân, tác hại của việc bánh xe bị mất cân bằng
Nguyên tắc cân bằng động cho vật quay dày
Động lực học rotor
Rotor trục cứng là những rotor không biến dạng khi thay đổi tốc độ quay và không
Rotor trục mềm là những rotor có biến dạng khi thay đổi tốc độ quay Hay những rotor vận hành gần tần số cộng hưởng của chúng Với những rotor này, khi cân bằng động cần phải quay chúng ở tốc độ cao gần với tốc độ làm việc của chúng.
Nguyên tắc cân bằng vật quay dày
Để cân bằng vật quay dày ta phải tiến hành các phép đo cho biết tình trạng mất cân bằng của nó, vì các thí nghiệm được thực hiện khi vật quay ở trạng thái chuyển động do đó việc cân bằng vật quay dầy còn được gọi là cân bằng động.
Còn phương pháp thí nghiệm khác nhau để xác định lượng mất cân bằng, ở đây giới thiệu một kiểu máy cân bằng động có một gối đỡ đàn hồi, phương pháp 3 lần thử và phương pháp các hệ số ảnh hưởng.
Mặt phẳng mà ta cần phải lắp đặt các đối trọng cân bằng trong các vị trí dọc trục khác nhau được gọi là các mặt phẳng cân bằng Nếu vận tốc quay thấp hơn tần số riêng của dạng đàn hồi thứ 1, hai mặt phẳng cân bằng là đủ để bù trừ các lượng mất cân bằng tĩnh ảnh hưởng đến hai dạng riêng của vật rắn Nếu vận tốc quay cao hơn tần số riêng của dạng riêng đàn hồi thứ 1, cần có một tác động riêng trên dạng riêng này, chỉ để khắc phục nó vì vậy cần có kiểu hiệu chỉnh (f) hay (g) Nếu vận tốc quay cao hơn tần số riêng của dạng riêng đàn hồi thứ 2, cần phải có một hiệu chỉnh kiểu (h), , số mặt phẳng cân bằng cần lắp đặt trên roto là n + 2, trong đó n là số dạng riêng đàn hồi phải vượt qua để đạt được vận tốc lớn nhất khi sử dụng và trong đó số 2 tương ứng với hai dạng riêng của vật rắn.
Thiết bị cân bằng di động
Thiết bị này được sử dụng để đo các dao động/rung động ngay trên máy móc có vật quay cần được cân bằng mà không cần phải tháo rời chi tiết cần cân bằng, hay còn gọi là thiết bị cân bằng tại hiện trường. Ưu điểm:
+ Tiết kiệm chi phí, thời gian do không phải tháo dỡ và lắp đặt lại vật quay, cũng như vận chuyển vật quay về nhà máy/xưởng cân bằng.
+ Khi cân bằng trực tiếp trên máy móc, có thể nói xem như cân bằng hệ thống (đối với các rôto có liên kết đối với vật quay được gắn đối trọng cân bằng).
+ Không cân bằng được cho các chi tiết đã tháo rời
+ Thiết bị cân bằng di động được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp sản xuất quạt, nhà máy điện, nhà máy xi măng, luyện kim, hóa chất công nghiệp, thiết bị kiểm tra ô tô, máy công cụ…
+ Cho phép cân bằng động các rôto có khối lượng nhỏ cho đến những loại khối lượng lớn đến 20000 kg được thiết kế đặc biệt.
Hình 2.1: Thiết bị cân bằng di động
2.4 Thiết bị cân bằng cố định: Để cân bằng trên thiết bị này, rôto phải được tháo rời khỏi máy và lắp đặt trên thiết bị cân bằng tại nhà máy/xưởng cân bằng Ưu điểm:
+ Độ cứng vững của hệ thống tốt, không chịu tác động của các ngoại lực khác nên máy cho kết quả có độ chính xác cao
+ Có thể thực hiện đồng thời các nhiệm vụ phụ như: sửa chữa, sơn phủ, bảo dưỡng rôto. + Cân bằng được với các cấp tốc độ khác nhau nhờ hệ thống dẫn động từ động cơ đa cấp hoặc vô cấp tốc độ
+ Phải tháo gỡ chi tiết cần cân bằng và vận chuyển đến vị trí đặt máy cân bằng nên rất bất tiện, đặc biệt đổi với các rôto có kích thước và trọng lượng lớn
+ Khó khăn trong việc cân bằng động những loại rôto có tốc độ cao và yêu cầu kiểm soát độ rung nghiêm ngặt.
+ Không thuật tiện đối với các rôto không được phép tháo ra, chẳng hạn như cánh quạt bơm nước…
+ Phạm vi ứng dụng: Chủ yếu đặt tại các xưởng cân bằng động chuyên dụng Có khả năng cân bằng động các chi tiết lớn đến rất lớn, đường kính đạt 2000mm chiều dài đạt6000mm Trong thiết bị cân bằng.
Hình 2.2: Máy cân bằng cố định
2.5 Tính năng kỹ thuật của một số máy cân bằng động
Kiểu máy YLD là kiểu máy cân bằng chi tiết quay theo phương thẳng đứng, chuyên dụng với các chi tiết dạng đĩa như cánh quạt, bánh đà, phanh đĩa, vòng đệm, bánh công tác, pulley,
Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của các máy thuộc kiểu YLD Đường Lượng Tỷ số
Kiểu Khối lượng mất cân giảm kính chi Tốc độ Công suất Điều máy chi tiết cân bằng dư lượng bằng tiết cân cân bằng nhỏ nhất mất cân động cơ chỉnh tốc
(kg) bằng (v/p) đạt được bằng (kW) độ
Kiểu máy RYQ, YYQ là kiểu máy cân bằng động rotor truyền động đai, sử dụng đai cao su hoặc sợi tổng hợp, rotor được truyền động bằng động cơ qua dây đai, do đó kiểu truyền động đai yêu cầu các chi tiết cân bằng phải có bề mặt bóng và mượt Do không chịu nhiễu do va chạm truyền động nên máy cân bằng động kiểu truyền động đai có độ chính xác rất cao.
Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của các máy thuộc kiểu RYQ, YYQ
Khối Đường Khoảng Đường Lượng mất Tỷ
Tốc độ số giảm Công
Kiểu lượng kính cách 2 kính cân bằng lượng suất trục cân bằng dư nhỏ máy rotor rotor gối rotor (v/p) nhất mất cân động cơ
(kg) (mm) (mm) (mm) (g.mm/kg) bằng(%) (kW)
Kiểu máy YYW là kiểu máy cân bằng động rotor truyền động cardan, sử dụng khớp các đăng để nối trục chính của máy cân bằng với rotor Kiểu này thích hợp với các chi tiết có bề mặt không đều, có thể truyền động được momen lớn, rất thích hợp với các loại rotor lớn Phải làm nhiều mặt bích để nối với các kiểu rotor có đường kính trục khác nhau Kiểu truyền động này gây ra nhiễu rung động nhiều hơn nên độ chính xác không cao bằng kiểu truyền động đai.
Bảng 2.3 Các thông số kỹ thuật của các máy thuộc kiểu YYW
Kiểu Khoảng Tốc độ mất cân suất lượng kính cách 2 gối cân bằng bằng dư lượng động máy rotor rotor (mm) (v/p) nhỏ nhất mất cân cơ
(kg) (mm) (g.mm/kg bằng (%) (kW)
- Một số kiểu máy cân bằng động bánh xe.
Bảng 2.4 Các thông số kỹ thuật của các máy cân bằng động bánh xe
Khối Đường chiều Đường kính Tốc đọ
Kiểu lượng kính rộng lốp lớn nhất Điện áp Độ chính cân bằng máy bánh xe larăng larăng (“) (mm) (v/Hz) xác (g) (s)
Hình 2.6: Máy cân bằng HESHBON HW-105
Hình 2.7: Máy cân bằng bánh xe Leo L9275
Hình 2.8: Máy cân bằng Cormach
Mỗi lần nguyên công kiểm tra công nghiệp được thực hiện, kết quả cần được so sánh với tiêu chuẩn Tương tự cho việc cân bằng, các tiêu chuẩn và mã số về kết cấu của các máy được quy định theo tiêu chuẩn.
2.6.1 Lượng mất cân bằng còn dư
Rotor không thể đạt lượng mất cân bằng là 0g Đó là một trạng thái lý tưởng mà không một máy cân bằng nào đạt được Cũng giống như sai lệch cho phép trong cơ khí, khi lượng mất cân bằng còn lại của rotor nhỏ hơn hoặc bằng lượng mất cân bằng cho phép trong phân cấp cân bằng tương ứng của rotor thì được chấp nhận Nếu máy cân bằng hiển thị lượng mất cân bằng là 0g thì do máy không đủ độ nhạy hoặc do phép làm tròn.
Các tiêu chuẩn ISO về các cấp cân bằng động:
G 250 đối với các động cơ Diesel nhanh 4 xi lanh
G100 đối với các động cơ hoàn chỉnh của xe hơi, xe cam nhông hay đầu máy xe lửa.
G 40 đối với các bánh xe, các trục khủyu của động cơ
G 16 đối với các trục chân vịt
G 6,3 đối với các quạt gió công cụ, các động cơ điện
G 2,5 đối với các tuabin, máy phát điện, các máy nén tuabo
G 1 đối với các bộ phận kéo đĩa mài
G 0,4 đối với các dao doa chính xác, các con quay
Giá trị số tương ứng ở vận tốc hiệu dụng được mô tả bằng mm/s cho dịch chuyển của khối tâm ở vận tốc quay danh nghĩa Định nghĩa này cho phép tính toán lượng mất cân bằng còn dư chỉ áp dụng cho roto hoạt động cứng.
Tiêu chuẩn ISO 10436, 10437, 10439… tương ứng với các máy tuabo dùng trong công nghiệp dầu hỏa, xác định lượng mất cân bằng còn dư cho phép bởi ngưỡng: Ur =
Với: Ur (g.mm) lượng mất cân bằng còn dư cho phép; W (daN) tải trọng tĩnh trên gối đỡ; N (vòng/phút) vận tốc quay lớn nhất.
Thông thường khi tiêu chuẩn G của ISO 1940-1 được dùng, người ta không liên kết nó với vận tốc quay hay khi đó người ta dùng nó cho roto mềm không kể đến sự hiện diện của dạng riêng đàn hồi uốn.Ở đây tiêu chuẩn cân bằng phải được định nghĩa chính xác (lượng mất cân bằng còn dư ở vận tốc quay đã cho, bản chất của hoạt động của roto ở vận tốc này), tương ứng với mục tiêu dao động cho phép.
Tiêu chuẩn cân bằng
Mỗi lần nguyên công kiểm tra công nghiệp được thực hiện, kết quả cần được so sánh với tiêu chuẩn Tương tự cho việc cân bằng, các tiêu chuẩn và mã số về kết cấu của các máy được quy định theo tiêu chuẩn.
2.6.1 Lượng mất cân bằng còn dư
Rotor không thể đạt lượng mất cân bằng là 0g Đó là một trạng thái lý tưởng mà không một máy cân bằng nào đạt được Cũng giống như sai lệch cho phép trong cơ khí, khi lượng mất cân bằng còn lại của rotor nhỏ hơn hoặc bằng lượng mất cân bằng cho phép trong phân cấp cân bằng tương ứng của rotor thì được chấp nhận Nếu máy cân bằng hiển thị lượng mất cân bằng là 0g thì do máy không đủ độ nhạy hoặc do phép làm tròn.
Các tiêu chuẩn ISO về các cấp cân bằng động:
G 250 đối với các động cơ Diesel nhanh 4 xi lanh
G100 đối với các động cơ hoàn chỉnh của xe hơi, xe cam nhông hay đầu máy xe lửa.
G 40 đối với các bánh xe, các trục khủyu của động cơ
G 16 đối với các trục chân vịt
G 6,3 đối với các quạt gió công cụ, các động cơ điện
G 2,5 đối với các tuabin, máy phát điện, các máy nén tuabo
G 1 đối với các bộ phận kéo đĩa mài
G 0,4 đối với các dao doa chính xác, các con quay
Giá trị số tương ứng ở vận tốc hiệu dụng được mô tả bằng mm/s cho dịch chuyển của khối tâm ở vận tốc quay danh nghĩa Định nghĩa này cho phép tính toán lượng mất cân bằng còn dư chỉ áp dụng cho roto hoạt động cứng.
Tiêu chuẩn ISO 10436, 10437, 10439… tương ứng với các máy tuabo dùng trong công nghiệp dầu hỏa, xác định lượng mất cân bằng còn dư cho phép bởi ngưỡng: Ur =
Với: Ur (g.mm) lượng mất cân bằng còn dư cho phép; W (daN) tải trọng tĩnh trên gối đỡ; N (vòng/phút) vận tốc quay lớn nhất.
Thông thường khi tiêu chuẩn G của ISO 1940-1 được dùng, người ta không liên kết nó với vận tốc quay hay khi đó người ta dùng nó cho roto mềm không kể đến sự hiện diện của dạng riêng đàn hồi uốn.Ở đây tiêu chuẩn cân bằng phải được định nghĩa chính xác (lượng mất cân bằng còn dư ở vận tốc quay đã cho, bản chất của hoạt động của roto ở vận tốc này), tương ứng với mục tiêu dao động cho phép.
Vận tốc cân bằng tham gia vào định nghĩa tiêu chuẩn cân bằng, vận tốc này nên tương ứng với vận tốc quay danh nghĩa của máy Điều này không phải lúc nào cũng có thể thực hiện được, đặc biệt đối với trường hợp các roto cánh gáo và kinh nghiệm của nhà chế tạo can thiệp vào khi mà số các tần số riêng dao động ngang hay gần đúng khi cân bằng khác với số tần số khi làm việc thực tế.
Nhận xét và kết luận chọn phương án thiết kế máy
Qua so sánh các phương án khác nhau ta thấy phương án thiết kế chế tạo mô hình máy cân bằng động bánh xe cố định là phương án phù hợp nhất, mô hình máy bao gồm:
+ Phần truyền động cơ khí dùng đại dẹt, trục được đặt trên hai gối đỡ cứng.
+ Phần thu nhận tín hiệu lực dùng cảm biến lực tần số cao đặt dưới hai gối đỡ.
+ Phần thu nhận tín hiệu từ cảm biến lực dùng đo gia tốc a và tính được lượng mất cân bằng.
Bánh xe được cân bằng gắn vào trên trục, trục đó được gọi là trục tâm, động cơ truyền động cho trục tâm bằng đai Trục tâm được gắn bởi 2 ổ bi Mỗi ổ bi thì được áp với cảm biến lực, cảm biến lực được sử dụng ở đây là cảm biến lực thạch anh áp điện, sinh ra dòng điện khi có lực tác dụng Sau khi cho ddoongj cơ chạy ta dùng máy hiện sóng thể hiện đường đồ thì gia tốc a và khối lượng cho trước của bánh xe ta tính được lượng mất cân bằng của bánh xe.
Phương pháp xác định lượng mất cân bằng: Khi gắn bánh xe vào trục, ta cho máy chạy và dùng cảm biến lực được đặt ở hai gối đỡ và được truyền trực tiếp với máy hiện sóng, trên máy hiện song hiện gia tốc a (m/s) và ta có khối lượng của bánh xe từ đó ta tính được lượng mất cân bằng bánh xe và gắn miếng dán đối trọng cân bằng lên vành bánh xe tại điểm bị mất cân bằng Sau khi cho động cơ quay lại và tiếp tục tính cho đến khi bánh xe được cân bằng.
Thiết kế và chế tạo máy cân bằng động cho bánh xe
Thiết kế và lựa chọn các thiết bị cơ khí của mô hình
3.1.1 Bánh xe (Bánh xe cút kít)
Hình 3.1 Bánh xe cút kít mô phỏng
Chi tiết quay ( bánh xe cút kít) có lượng mất cân bằng không xác định Ta chọn vùng mất cân bằng từ 0 → 200N.
Lực ép bulong cố định cảm biến tác dụng vào cỡ 300 N.
Tổng lực tác dụng lên cảm biến là: 200 + 300 = 500 (N).
Như vậy với tốc độ quay ta chọn thì cảm biến tải động làm việc trong vùng tuyến tính từ 0 → 500N để tăng độ chính xác của việc cân bằng.
3.1 2 Động cơ dẫn động Động cơ là thiết bị chuyển hóa một dạng năng lượng nào đó (thiên nhiên hoặc nhân tạo) thành động năng Động cơ điện chuyển hóa điện năng thành động năng, Động cơ Diesel chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu thành động năng, Động cơ thủy lực biến đổi áp năng (áp suất thủy lực) thành động năng.
Vì chi tiết cân bằng quay ở nhiều tốc độ khác nhau, nên em chọn loại động cơ 24V có momen đủ lớn, bộ truyền vững chắc.
Hình 3.2 Sơ đồ phân bố lực
Giả sử vật đứng yên, thì khi đó mômen xoắn sinh ra phải cân bằng với moment cản M x = M c với khoảng cách hai gối đỡ A, B là a = 250mm, khoảng cách gối đỡ B tới bánh xe cần cân bằng là b = 100mm Gọi F A là lực tác dụng tại gối đỡ A, F B là lực tác dụng tại gối đỡ B Nếu bỏ qua khối lượng của trục, ta có:
Từ đó ta tính được lực ma sát giữa con lăn với rotor: F ms = f.N (3.3)
Trong đó f là hệ số ma sát lăn Khi con lăn thép lăn trên thép thì hệ số ma sát giữa chúng là 0,01
Mômen cản M c sẽ là : M c = F ms R (3.4)
Với R là bán kính của trục rotor cân bằng, R max = 0,025 (m)
Vận tốc góc của động cơ khi quay với tốc độ trung bình 2000 (v/p) ω = 2.π.n/60 = 2.3,14.2000 / 60 = 209 (rad/s) (3.5)
Ta lấy hiệu suất truyền động của đai bằng 0,96 của ổ lăn là 0,99. η = η đ η ol η ol = 0,99.0,99.0,96 = 0,94 (3.6)
Chọn loại động cơ có :
Công suất N = 3 W Động cơ phải truyền cho mẫu thử (rotor) một vận tốc là 2000 vg/ph.
Truyền động đai được dùng để truyền động giữa các trục xa nhau.
Dây đai dẹt là loại dây để giúp cho các chuyển động tốc độ cao, có lực kéo lớn, chịu được yếu tố về lực uốn, chịu được vấn đề về masat tốt, tuổi thọ của dây rất cao Độ dày thông thường từ 0.8 – 6mm. Ưu điểm:
Thoải mái điều chỉnh chu vi của dây đai.
Giảm tiếng ồn của động cơ khi hoạt động
Có thể chống cháy, chống tĩnh điện và chống phóng xạ trong các môi trường sản xuất đặc biệt. Độ co giãn ít, không bong tróc dưới tác động của thời tiết và nhiệt độ.
Rất dễ để vệ sinh, thay mới hoặc bảo dưỡng dây đai Tiết kiệm chi phí nhiều hơn.
Nhược điểm: tỷ số truyền thấp hơn so với các loại dây đai răng, dây xích.
Hình 3.4 Đai dẹp Để tăng dây đai ta chọn phương pháp tăng khoảng cách trục động cơ và trục.
Khoảng cách trục được thay đổi nhờ hai bulong định vị, ta trượt hai bulong này để tăng dây đai đến lực vừa phải Sau đó xiết chặt hai bulong lại để cố định khoảng cách trục.
Tỷ số của bộ truyền đai là : i = d2 / d1.(1 – ξ)) (3.8) d2 = 20 mm - Đường kính bánh đai lớn d1 = 20 mm - Đường kính bánh đai nhỏ
Hệ số trượt của đai
Nếu bỏ qua hệ số trượt của đai thì ta có: i = d2 / d1 = 20/20 = 1
Lực vòng Ft = 1000.P / v = 1,5 (N) (3.9) Đối với đai vải cao su, đai da, sợi bông, sợi len thì ứng suất căng ban đầu σ0 =1,6 MPa, khi bộ truyền đặt thẳng đứng, khoảng cách trục không lớn và điều chỉnh được.
Trong đó: σ0: ứng suất căng ban đầu δ: bề dày đai = 5 mm b: bề rộng đai = 10 mm
Lực tác dụng lên trục Fđ = 2F0.sin(α/2) = 2.24.sin(180/2) = 48 (N) (3.11)
Hình 3.5: Trục cần chế tạo a)Công dụng của chi tiết:
Chi tiết dạng trục được dùng để truyền momen xoắn và momen uốn Trong đó phần lớn chịu tác dụng của momen xoắn, có thể truyền momen xoắn, có thể truyền momen xoắn giữa 2 trục song song, vuông góc với nhau.
Chi tiết trục làm việc trong những điều kiện phức tạp.
Trong quá trình làm việc trục thực hiện chuyển động quay với tốc độ lớn, đồng thời chịu tác dụng của lực quán tính của chính chi tiết trục bậc và các chi tiết truyền động lắp trên nó.
Chi tiết trục còn chịu ứng suất uốn và ứng suất xoắn do các lực gây nên
Chi tiết trục còn dễ bị biến dạng do tác động của tải trọng và điều kiện làm viêc. Để đỡ chi tiết máy đồng thời truyền mô men xoắn. Để các chi tiết máy như: lắp mũi khoan, lắp buli. b) Phân tích tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết:
Tính công nghệ của một sản phẩm hay một chi tiết là đảm bảo những yêu cầu và chức năng của chi tiết hay sản phẩm đó mà tốn ít nhiên liêu nhất, hợp lí hóa kết cấu của chi tiết dể tháo lắp, tận dụng được thời gian gia công và thời gian lắp ráp, tiết kiệm được vật liệu trong suốt quá trình gia công Sử dụng các phương pháp gia công tiên tiến nhất nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm.
Từ bản vẽ chi tiết ta thấy:
Các bề mặt trục có khả năng gia công bằng các dao tiện thông thường. Đường kính các cỗ trục giảm dần về hai phía.
Kết cấu của trục không đối xứng vì vậy không thể gia công trên máy chép hình thủy lực
Ta có l/d20/37