устройство для автоматической балансировки роторов

Формула изобретения

Устройство для автоматической балансировки роторов, содержащее соосную с ротором и заполненную рабочей жидкостью обойму с размещенными внутри нее балансировочными грузами, отличающееся тем, что обойма выполнена в виде жестко надетой на ротор кольцевой трубки, снабженной укрепленным внутри трубки по ее центральной оси жестким кольцевым стержнем и периодически установленными в перпендикулярных оси трубки поперечных сечениях моментными спиральными пружинами, прикрепленными к кольцевому стержню внутренними концами с обращением свободных наружных концов к периферии кольцевой трубки, в качестве рабочей жидкости использована жидкость со свойством увеличения вязкости от состояния текучести вплоть до полного отвердевания в процессе балансировки, а балансировочные грузы закреплены на свободных наружных концах моментных спиральных пружин.

Описание изобретения к патенту

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 фиксации сбалансированного состояния ротора и, соответственно, поддерживания 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 M 1/38, 1976 [4]/, либо упругими стенками кольцевой камеры, заполненной балансировочной жидкостью /см. а.с. СССР № 1030687, кл. G 01 M 1/38, 1981 [5]/, при этом в устройстве [5] балансировочная жидкость имеет свойство увеличения вязкости от состояния текучести до полного отвердения в процессе балансировки. К устройствам данного типа можно отнести и маятниковое автобалансировочное устройство, содержащее закрепленные на роторе диски со свободно вращающимися эксцентрично установленными маятниками /см. [2], стр.76-77/.

Недостатками известных устройств, даже при использовании в качестве балансировочной 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 инерции и сил упругости от угловой скорости вращения ротора и, как следствие, значительной вероятностью резкого смещения 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 плоскостях, перпендикулярных оси вращения ротора, без возможности поворота главной центральной оси инерции ротора до ее 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 шарами, 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 ее совмещения с осью его вращения.

Сущность изобретения заключается в создании устройства для автоматической балансировки роторов, позволяющего реализовать в процессе вращения ротора эффект автоматической динамической самобалансировки за счет как вязкоупругих взаимных смещений балансировочных грузов, связанных с ротором позиционными силами упругости спиральных моментных пружин, в перпендикулярной оси вращения ротора плоскости, так и разворота данной плоскости до совмещения главной центральной оси инерции ротора с осью его вращения, а также фиксации 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 грузами, особенность заключается в том, что обойма выполнена в виде жестко надетой на ротор кольцевой трубки, снабженной укрепленным внутри трубки по ее центральной оси жестким кольцевым стержнем и периодически установленными в перпендикулярной оси трубки поперечных сечениях моментными спиральными пружинами, прикрепленными к кольцевому стержню внутренними концами с обращением свободных наружных концов к периферии кольцевой трубки, в качестве рабочей жидкости использована жидкость со свойством увеличения вязкости от состояния текучести вплоть до полного отвердевания в процессе балансировки, а балансировочные грузы закреплены на свободных наружных концах моментных спиральных пружин.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где схематично изображено на фиг.1 предлагаемое устройство для автоматической балансировки роторов, общий вид с продольным разрезом; на фиг.2 - вид А на фиг.1 с поперечным разрезом; на фиг.3 - вид Б на фиг.1 с разрезом кольцевой трубки.

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 грузами 5, при этом обойма 4 выполнена в виде жестко надетой на ротор 2 кольцевой трубки, снабженной укрепленной внутри трубки 4 по ее центральной оси жестким кольцевым стержнем 6 и периодически установленными в перпендикулярных оси трубки 4 поперечных сечениях моментными спиральными пружинами 7, прикрепленными к кольцевому стержню 6 внутренними концами так, что свободные наружные концы пружин 7 обращены в сторону периферии кольцевой трубки 4, в качестве рабочей жидкости 3 использована жидкость со свойством увеличения вязкости от состояния текучести вплоть до полного отвердевания в процессе балансировки, а балансировочные грузы 5 закреплены на свободных наружных концах моментных спиральных пружин 7. Кольцевой стержень 6 закреплен в трубке 4 с помощью нескольких спиц 8 /показана одна из спиц/, вставленных в стенки 4. В качестве отвердевающей жидкости 3 в устройстве использован клей ВК-32-200 на основе синтетических полиуретановых смол, время полного отвердевания которого не превышает 20-30 минут. Балансировочные грузы 5 выполнены в виде стальных шариков, припаянных к наружным концам пружин 7. Внутренние концы пружин 7 также припаяны к кольцевому стержню 6, причем перед припайкой каждая из пружин 7 развернута так, что ее наружный конец обращен в сторону к периферии внутренней поверхности кольцевой трубки 4.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

В исходном положении жидкость 3, полностью заполняющая трубку 4, находится в текучем состоянии, спиральные пружины 7 - абсолютно плоские, балансировочные грузы 5 размещены примерно на оси в плоскости пружин 7 со стороны периферии внутренней поверхности трубки 4. Ротор 2 приводят во вращение с угловой скоростью выше критической. Считаем, что неуравновешенность ротора 2 носит наиболее общий характер - динамическая неуравновешенность, когда вектор эксцентриситета ориентирован в пространстве и имеет составляющие по осям X и У /см. фиг.1-фиг.3/ в плоскости, перпендикулярной оси Z вращения ротора - статическая неуравновешенность, а также составляющую по оси Z. На основании действия эффекта динамической самобалансировки происходит автоматическое центрирование вращающегося ротора 2, причем данный эффект достаточно хорошо изучен, вследствие чего автор проиллюстрирует данный эффект чисто описательно без математических выкладок. В общем случае динамической неуравновешенности главная центральная ось инерции вращающегося ротора 2 не совпадает с осью его вращения, то есть вектор эксцентриситета самым произвольным образом ориентирован в пространстве, имея составляющие по осям координат X, У, Z. Поэтому при вращении ротора 2 на балансировочные грузы 5 действуют как центробежные силы инерции, ориентированные в радиальных направлениях к периферии кольца 4, то есть раскладывающиеся на составляющие по осям X и У /фиг.2/, так и силы инерции вдоль оси Z вращения ротора 2. Под действием этих сил спиральные пружины 7, а главным образом их наружный виток с балансировочным грузом 5 совершают упругие деформации в направлении всех 3-х осей - X, У, Z. Деформация по оси У - это отгибание наружного витка пружины 7 в направлении к периферии, по оси Z - это раскручивание-закручивание пружин 7, по оси X - это перекос плоскости пружины и в основном - отгиб из плоскости пружины ее наружного витка с балансировочным грузом 5. Очевидно, что за счет одновременных смещений грузов 5 с упругодеформируемой пружиной 7 по осям X и У /см. фиг.2/ происходит автоматическая балансировка в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора 2, то есть статическая балансировка. За счет же смещений грузов 5 по осям X и Z /см. фиг.3/ происходит разворот данной плоскости или автоматическое совмещение главной центральной оси инерции ротора 2 с осью Z его вращения. В результате таких упругих смещений грузов 5, как показывают эксперименты, в течение 4-5 минут осуществляется процесс автоматической динамической балансировки вращающегося ротора. Далее, при поддержании как можно более стабильной угловой скорости в течение 5-10 минут грузы 5 вместе с пружинами 7 фиксируются в данном установившемся состоянии за счет отвердевания жидкости 3. Дальнейшее выключение режима вращения в течение 10-20 минут позволит жидкости 3, грузам 5, пружинам 7 вместе с кольцевой трубкой 4 окончательно принять состояние единого абсолютно твердого тела. Следует отметить, что при исходной ориентации пружин 7 при их креплении на кольцевом стержне 6, отличной от указанной выше, работоспособность устройства сохраняется, однако процесс автоматической балансировки затянется по времени. В худшем случае отдельным пружинам 7 придется закручиваться-раскручиваться не менее чем на полоборота наружного витка. Однако в результате в любом случае процесс автоматической балансировки является сходящимся.

Широкие функциональные возможности предлагаемого устройства очевидны. В отличие от устройства-прототипа балансировочный процесс здесь не зависит от ориентации ротора в пространстве. Эффект самобалансировки действует не только во время поддержания вращения, а фиксируется и становится неотъемлемым свойством данной динамической системы при ее эксплуатации в широком диапазоне внешних воздействий и угловых скоростей. Особо следует остановиться на повышении точности и стабильности процесса балансировки. В устройстве-прототипе при малейшем нарушении стабильности угловой скорости в процессе балансировки шары из своих верхних положений мгновенно «сваливаются» вниз на меньшие диаметры, в результате чего достигнутый эффект самобалансировки скачкообразно нарушается. В предложенном устройстве процесс относительного смещения грузов 5, то есть принятие системой нового динамического состояния, происходит постепенно с плавным преодолением упругих позиционных сил пружин и вязкоупругих сил жидкости с плавным нарастанием упругих деформаций пружин /в устройстве-прототипе это новое состояние занимается скачком/. Поэтому при кратковременных отклонениях угловой скорости от своих стационарных значений до отвердевания жидкости в предлагаемой динамической системе практически не нарушается новое установившееся динамическое состояние. Этим объясняется возможность балансировки в предлагаемом устройстве с наперед заданной степенью точности при наличии высокой стабильности балансировочного процесса, то есть практически невозможностью случайных сбоев, отклонений и т.д. при проведении балансировки. Возможность осуществления динамической балансировки позволяет повысить как точность процесса, так и расширить функциональные возможности. Устройство отличается простотой, балансировочный узел, ограниченный кольцевой трубкой, имеет минимальные габариты, удобную форму, чисто модульное исполнение. Этим узлом, в принципе, может быть снабжена практически любая динамическая система независимо от габаритов, режимов работы, формы, принципа действия, рабочих характеристик и т.п.