Детали механизмов, центр тяжести которых не лежит на оси их вращения, называют неуравновешенными деталями. Издавна известно, что вращение неуравновешенных систем создает ускоренный износ их трущихся поверхностей и в частности подшипников, в которых происходит вращение. По этой причине подшипники машин теряют точность.
Износ деталей
Явление ускоренного износа деталей машин, в известной степени, есть результат различной величины центробежных сил, возникающих в различных частях вращающейся массы. Для уяснения этого представим себе деталь, вращающуюся вокруг своей оси (рис. 1, а). По мере роста угловой скорости в детали разовьются центробежные силы, пропорциональные вращающейся массе и квадрату ее скорости. Мысленно разделим вращающуюся систему на 4 равные части по окружности. Центробежные силы тогда предстанут в виде четырех равных, противоположно направленных и, следовательно, уравновешивающих друг друга сил Р1, P2, Р3 и Р4. Силы эти приложены в центре тяжести каждой части системы. Вращение будет спокойным, центробежные силы не будут действовать на ее трущиеся поверхности и поверхности ее подшипников.
Рис. 1. Влияние неуравновешенных частей на работу машины
Получится совсем иное, если вращающиеся массы окажутся неуравновешенными (рис. 1, б). Тогда в том месте, где сосредоточена наибольшая масса, разовьется еще одна дополнительная сила и нарушит общее равновесие центробежных сил. Эта сила отрицательно будет сказываться на работе системы не только при пуске и остановке механизмов, но и во время его вращения с постоянной угловой скоростью. Пуск и остановка механизма будут резко увеличивать силу Р5, как бы производя удар по поверхности подшипника, а при работе появится значительное по величине дополнительное давление на ту часть поверхности подшипника, которая расположена в направлении действия дополнительной силы Р5. Все это неизбежно ускорит износ механизма.
Такое же влияние окажут и неуравновешенные конструкции вращающихся приспособлений, особенно при скоростной обработке металлов. Чтобы устранить вредное влияние неуравновешенных центробежных сил, вращающиеся приспособления подвергают балансировке совместно с обрабатываемыми деталями.
В чем же состоит принцип балансировки?
Вращающемуся приспособлению, как правило, придают форму, возможно близкую к форме тела вращения. Если неуравновешенное приспособление положить образующей цилиндра на горизонтальную плоскость, а затем вывести из состояния покоя, покатившись, оно через некоторое время остановится. Повторяя это несколько раз, можно убедиться, что приспособление останавливается всегда в одном и том же положении (рис. 2, а). В этом положении центр его тяжести лежит ниже оси вращения и обязательно на линии, соединяющей эту ось с самой нижней точкой приспособления. В таком состоянии приспособление наиболее устойчиво на горизонтальной плоскости.
Рис. 2. Положение центра тяжести цилиндрической детали, лежащей на горизонтальной плоскости
Положение, показанное на рис. 2, б, не может быть устойчивым. Дополнительная сила тяжести Р (сила тяжести элемента, нарушающего уравновешенность конструкции) будет повертывать его и, следовательно, катить в сторону стрелки V. Действие силы Р на качение детали может быть определено, как произведение этой силы на ее плечо l. Произведение силы Р на плечо силы l называется моментом силы.
Очевидно, что момент силы Р действует до тех пор, пока плечо l не окажется равным нулю. Это произойдет в положении, показанном на рис. 2, а, так как Рl = Р × 0 = 0. Следовательно, при этом не будет действовать момент силы, вращающий приспособление, и приспособление окажется в устойчивом положении.
По-иному ведет себя приспособление, в котором центр тяжести лежит на оси вращения. В любом положении его момент силы тяжести равен нулю (рис. 2, в) и оно всегда устойчиво на плоскости.
Таким образом, если цилиндрическое тело, катаясь по горизонтальной плоскости, останавливается в различных положениях, оно уравновешено. Не же ли тело останавливается в одном и том же положении, следует считать его неуравновешенным. Задача балансировки приспособления и состоит в том, чтобы привести тело к уравновешенному состоянию, т. е. такому состоянию, при котором, катаясь по горизонтальной плоскости, оно останавливалось бы в любых положениях.
