Устройство для автоматической балансировки роторов

Изобретение относится к области балансировочной техники и, в частности, к устройствам для автоматической динамической балансировки вращающихся тел. Устройство содержит соосную с ротором и заполненную рабочей жидкостью обойму с размещенными внутри нее балансировочными шарами, при этом обойма выполнена в виде надетой на ротор втулки с концентричной ротору замкнутой кольцевой полостью, на кольцевых основаниях полости периодически по всему их периметру закреплены напротив друг друга штыри с отверстиями на концах, сквозь которые продета и натянута струна, в качестве рабочей жидкости использована жидкость со свойством увеличения вязкости от текучего состояния вплоть до полного отвердевания в процессе балансировки, а балансировочные шары выполненными в них сквозными отверстиями плотно надеты на ограниченные основаниями полости участки струны с возможностью изменения кривизны участков в пространстве, а также смещений струны относительно штырей и шаров относительно струны в пределах данных участков струны под действием инерционных сил. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства, повышение точности и стабильности процесса балансировки. 2 ил.

 

Изобретение относится к области балансировочной техники и, в частности к устройствам для автоматической динамической балансировки вращающихся тел.

Известны устройства для автоматической балансировки роторов в процессе их вращения, содержащие распределительную емкость, периферийные балансировочные резервуары, соединенные с ней, и клапаны, установленные на выходе из распределительной емкости /см. патент США № 2549756, кл. G 01 M 1/38, 1951 [1]; Вибрации в технике. Справочник под ред. чл.-кор. АН СССР К.В.Фролова, том 6, М., "Машиностроение", 1981, стр.74-75, рис.27 [2]/.

Однако данные устройства характеризуются низкой точностью балансировки вследствие отсутствия позиционных сил упругости, оказывающих противодействие центробежным силам инерции, действующим на жидкость, низкой производительностью, связанной с трудностью возврата устройства в первоначальное уравновешенное состояние, а также невозможностью закрепощения /фиксации/ сбалансированного состояния ротора и, соответственно, поддержания этого состояния после остановки процесса вращения ротора.

Известны также устройства для автоматической балансировки роторов, в которых позиционные силы упругости, противодействующие силам инерции, действующим на жидкость, создаются либо специальными упругими консольными элементами с балансировочными массами на концах /см. а.с. СССР № 968640, кл. G 01 M 1/12, 1978 [3],/ либо упругими диафрагмами, герметично закрывающими выходы в балансировочные резервуары /см. а.с. СССР № 836541, кл. G 01 М 1/38, 1976 [4],/ либо упругими стенками кольцевой камеры, заполненной балансировочной жидкостью /см. а.с. СССР № 1030687, кл. G 01 М 1/38, 1981 [5],/ при этом в устройстве [5] балансировочная жидкость имеет свойство увеличения вязкости от состояния текучести до полного отвердевания в процессе балансировки.

Недостатками известных устройств, даже при использовании в качестве балансировочной жидкости отвердевающей жидкости по устройству [5], являются сравнительно низкие точность и стабильность процесса балансировки. Это объясняется невозможностью обеспечения абсолютного постоянства угловой скорости вращения ротора в процессе балансировки, резким скачкообразным изменением положения упругого элемента при малейшем изменении угловой скорости ротора, то есть предельно сильной зависимостью положения жидкости под действием центробежных сил и сил упругости от угловой скорости вращения ротора и, как следствие, значительной вероятностью резкого смешения жидкости и серьезным нарушением уже полностью сбалансированного состояния ротора при малейшем изменении его угловой скорости до момента окончательного отвердевания жидкости. На практике это проявляется в том, что при приближении к завершению процесса балансировки перед своим отвердеванием жидкость занимает неустановившееся стационарное положение, а за счет некоторых вариаций угловой скорости совершает скачки относительно этого положения. При этом момент потери жидкостью состояния текучести достаточно случаен, что приводит к низкой точности и стабильности балансировочного процесса. Кроме того, все известные устройства практически позволяют осуществлять только статическую балансировку в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, без возможности поворота главной центральной оси инерции ротора до совмещения с осью его вращения.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является шаровое устройство для автоматической балансировки роторов, содержащее заполненную маслом обойму с несколькими шагами, центральная ось которой совпадает с осью вращения ротора, нижняя и верхняя части обоймы выполнены цилиндрическими, а средняя часть, плавно соединяющая верхнюю и нижнюю части, - конической, причем шары, будучи установлены в один слой с контактом друг с другом в окружном направлении, полностью занимают объем нижней части обоймы /см. справочник [2], стр.75-76, рис.28а/, принятое за прототип.

Недостатками устройства-прототипа являются предельно ограниченные функциональные возможности, низкие точность и стабильность процесса балансировки. Это объясняется возможностью осуществления балансировки только при вертикальной ориентации оси ротора, невозможностью закрепощения и фиксации сбалансированного состояния ротора, отсутствием позиционных сил упругости, действующих на шары при их перемещении за счет центробежных сил инерции, мгновенным "уходом" шаров вниз со скачкообразным нарушением сбалансированного состояния ротора при малейших вариациях угловой скорости относительно установившегося значения, а также практической возможностью осуществления только статической балансировки ротора в плоскостях, перпендикулярных его оси вращения без возможности поворота главной центральной оси инерции ротора до совмещения с его осью вращения.

Сущность изобретения заключается в создании устройства для автоматической балансировки роторов, позволяющего реализовать в процессе вращения ротора эффект автоматической динамической самобалансировки совмещением главной центральной оси инерции ротора с осью его вращения за счет как относительных пространственных смещений с преодолением позиционных сил упругости, трения и вязкого сопротивления балансировочных жаров вдоль участков натянутой струны, так и изменения формы и геометрической пространственной структуры последней при ее вязкоупругом взаимодействии с ротором с последующей фиксацией достигнутого сбалансированного состояния после прекращения вращения ротора.

Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства, повышение точности и стабильности процесса балансировки.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для автоматической балансировки роторов, содержащем соосную с ротором и заполненную рабочей жидкостью обойму с размещенными внутри нее балансировочными шарами, особенность заключается в том, что обойма выполнена в виде жестко надетой на ротор втулки с концентричной ротору замкнутой кольцевой полостью, при этом на кольцевых основаниях полости периодически во всему их периметру закреплены напротив друг друга штыри с отверстиями на концах, сквозь которые свободно продета и натянута, струна, обходящая штыри в порядке от фиксирующего струну штыря к соседнему, далее - к расположенному напротив, опять к соседнему, опять к расположенному напротив и т.д. до того же фиксирующего штыря, в качестве рабочей жидкости использована жидкость со свойством увеличения вязкости от состояния текучести вплоть до полного отвердевания в процессе балансировки, а балансировочные шары выполненными в них сквозными отверстиями плотно надеты на ограниченные основаниями полости участки струны с возможностью изменения кривизны участков в пространстве, а также смещений струны относительно штырей и шаров относительно струны в пределах данных участков струны под действием инерционных сил.

Сущность изобретения поясняется чертогами, где на фиг.1 схематично изображено предлагаемое устройство для автоматической балансировки роторов, общий вид с продольным разрезом; на фиг.2 - вид А на фиг.1 со снятым наружным кольцом втулки.

Устройство для автоматической балансировки роторов содержит соосную с установленным в опорах вращения 1 ротором 2 и заполненную рабочей жидкостью 3 обойму 4 с размещенными внутри нее балансировочными шарами 5, при этом обойма 4 выполнена в виде жестко надетой на ротор 2 втулки 4 с концентричной ротору 2 замкнутой кольцевой полостью 6, на кольцевых основаниях полости 6 периодически по всему их периметру закреплены напротив друг друга, штыри 7 с отверстиями 8 на концах, сквозь которые свободно продета и натянута струна 9, обходящая штыри 7 в порядке от фиксирующего струну 9 штыря 7 к соседнему, далее - к расположенному напротив, опять к соседнему, опять к расположенному напротив и т.д. до того же фиксирующего штыря 7, в качестве рабочей жидкости 3 использована жидкость со свойством увеличения вязкости от состояния текучести вплоть до полного отвердевания в процессе балансировки, а балансировочные шары 5 выполненными в них сквозными отверстиями 10 плотно надеты на ограниченные основаниями полости 6 участки струны 9 с возможностью изменения кривизны участков в пространстве, а также смещений струны 9 относительно штырей 7 и жаров 5 относительно струны 9 в пределах данных участков струны 9 под действием инерционных сил. На рисунках фиксирующий штырь 7, к которому осуществлена подпайка одного конца струны 9, последующий ее натяг и подпайка второго конца, не показан. Обойма /втулка/ 4 с полостью 6 выполнена в виде катушки с буртиками, вставленной в полый цилиндр - наружное кольцо втулки, и герметизированной.

В качестве отвердевающей жидкости в устройстве использован клей ВК-32-200 на основе синтетические полиуретановых смол, время полного отвердевания которого не превышает 20-30 минут.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

В исходном состоянии жидкость 3 полностью заполняет полость 6 втулки 4 и находится в текучем состоянии, участки натянутой струны 9 прямолинейны, параллельны между собой, то есть не изогнуты в пространстве /кривизна участков близка к нулю/, шары 5 размещены на участках струны 9 произвольным образом с промежутками, то есть с возможностью относительных смещений в пределам каждого участка. Ротор 2 приводят во вращение с угловой скоростью выше критической. Считаем, что неуравновешенность ротора 2 носит наиболее сложный произвольный характер - динамическая неуравновешенность, - когда вектор эксцентриситета произвольным образом расположен в пространстве и имеет составляющие по всем осям: по осям Х и Y в плоскости, перпендикулярной оси Z вращения ротора 2 - статическая неуравновешенность, а также составляющая по оси Z. На основании действия эффекта динамической самобалансировки осуществляется автоматическое центрирование вращающегося ротора 2. Данный эффект достаточно хорошо изучен, теоретически описан, поэтому автор иллюстрирует его чисто описательно без математических выкладок. Как было сказано выше, в общем случае динамической неуравновешенности ротора 2 главная центральная ось его инерции самым произвольным образом ориентирована относительно его оси вращения, соответственно вектор эксцентриситета произвольным образом ориентирован в пространстве. Поэтому при вращении ротора 2 на балансировочные шары 5 действуют инерционные силы в направлении всех трех осей X, Y, Z. В данной конструкции под действием этих сил в процессе эффекта самоцентрирования осуществляется как значительное число относительных смещений элементов, так и упругих деформаций в различных плоскостях по различным осям, что объясняется искусственным созданием у динамической системы большого числа степеней свободы - независимых друг от друга возможных перемещений. Именно такая возможность взаимного перераспределения масс и смешения центра масс системы в пространстве обеспечивает высокую точность и стабильность процесса балансировки /наряду с наличием позиционных упругих и вязкоупругих сил/. В частности, под действием инерционных сил шаров 5 происходит изгиб участков струны 9 в пространстве с нарушением параллельности участков и изменением их кривизны, смешение струны 9 в отверстиях 8 штырей 7 с перераспределением длин участков струни 9 и изменением натяга на данных участках, с преодолением сил вязкого трения, смещения шаров 5 относительно струны 9 в пределах ее участков также с преодолением сил трения и вязкого сопротивления. Очевидно, что в результате всех указанных деформаций и относительных смешений изменение положений шаров 5 в направлении осей X и Y обеспечивают балансировку ротора 2 в поперечной плоскости - статическую балансировку, одновременные смещения шаров 5 по оси Z и по оси X обеспечивает разворот главной центральной оси инерции ротора 2 в пространстве до совмещения с осью его вращения, то есть динамическую балансировку. Следует еще раз отметить, что все указанные перемещения по степеням свободы сопровождаются возникновением позиционных сил упругости при деформациях, сил вязкого и сухого трения при относительных смещениях. В результате, как показали эксперименты, в течение 4-5 минут осуществляется процесс автоматической динамической балансировки вращающегося ротора 2. Далее, при поддержании как можно более стабильной угловой скорости в течение 5-10 минут шары 5 вместе с участками струны 9 фиксируются за счет отвердевания жидкости 3 в описанном выше установившемся сбалансированном состоянии. Дальнейшее выключение режима вращения и выдержка в течение 10-20 минут позволят принять втулке 4 вместе с жидкостью 3, струной 9, шарами 5 состояние единого абсолютно твердого тела.

Широкие функциональные возможности устройства очевидны. В отличие от устройства-прототипа балансировочный процесс не зависит от ориентации ротора в пространстве, эффект самобалансировки действует не только во время поддержания вращения, а фиксируется и становится неотъемлемым свойством динамической системы при ее эксплуатации в широком диапазоне частот внешних воздействий и угловых скоростей. Особо следует остановиться на повышении точности и стабильности процесса балансировки. В устройстве-прототипе при малейшем нарушении стабильности угловое скорости в процессе балансировки шары из своих верхних положений мгновенно "сваливаются" вниз на меньшие диаметры, в результате чего достигнутый эффект самобалансировки скачкообразно нарушается. В предлагаемой системе процесс относительного смещения шаров 5, то есть принятия системой нового динамического состояния, происходит постепенно с плавным преодолением упругих позиционных сил струны, сил трения при относительных смещениях, вязкоупругих сил жидкости, с плавным нарастанием упругих деформаций /в устройстве-прототипе это новое динамическое состояние занименяется скачком/. Поэтому при кратковременных отклонениях угловой скорости от своих стационарных значений /естественно, до отвердевания жидкости/ в предлагаемой динамической системе практически не нарушается новое установившееся динамическое состояние. Этим и объясняется возможность балансировки в предлагаемом устройстве с наперед заданной точностью при наличии высокой стабильности балансировочного процесса, то есть практически невозможностью случайных сбоев, отклонений и т.д. при проведении балансировки. Возможность осуществления наряду со статической и динамической балансировки позволяет как дополнительно увеличить точность балансировки, так и расширить функциональные возможности балансировочного процесса. Устройство отличается простотой, балансировочный узел, ограниченный втулкой, имеет минимальные габариты, удобную форму, чисто модульное исполнение и практически может быть вписан в любую конструкцию с вращающимися узлами. Причем применение такого узла балансировки практически не зависит от режимов работы конструкции, габаритов, условий использования и т.п.

Устройство для автоматической балансировки роторов, содержащее соосную с ротором и заполненную рабочей жидкостью обойму с размещенными внутри нее балансировочными шарами, отличающееся тем, что обойма выполнена в виде жестко надетой на ротор втулки с концентричной ротору замкнутой кольцевой полостью, при этом на кольцевых основаниях полости периодически по всему их периметру закреплены напротив друг друга штыри с отверстиями на концах, сквозь которые свободно продета и натянута струна, обходящая штыри в порядке от фиксирующего струну штыря к соседнему, далее - к расположенному напротив, опять к соседнему, опять к расположенному напротив и т.д. до того же фиксирующего штыря, в качестве рабочей жидкости использована жидкость со свойством увеличения вязкости от состояния текучести вплоть до полного отвердевания в процессе балансировки, а балансировочные шары выполненными в них сквозными отверстиями плотно надеты на ограниченные основаниями полости участки струны с возможностью изменения кривизны участков в пространстве, а также смещений струны относительно штырей и шаров относительно струны в пределах данных участков струны под действием инерционных сил.