жидкостно-поплавковое самобалансирующее устройство

Формула изобретения

1. Жидкостно-поплавковое самобалансирующее устройство для вращающихся масс, содержащее корпус, имеющий замкнутую кольцевую полость с гладкой поверхностью, внутри которой размещены твердые подвижные тела, а остальное пространство целиком заполнено жидкостью, отличающееся тем, что кольцевая полость имеет прямоугольное сечение, а масса твердых подвижных тел меньше массы вытесняемой ими жидкости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что твердые подвижные тела выполнены в форме шаров.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что твердые подвижные тела выполнены в форме круговых цилиндров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к балансировочной технике и может быть использовано в любой отрасли машиностроения для автоматической балансировки вращающихся масс в диапазоне закритических (выше резонансных) частот вращения.

Известно множество конструкций самобалансирующих устройств, объединенных в класс пассивных автобалансиров, принцип построения которых основан на использовании эффекта Лаваля-Сирля (de Laval, Thearie), заключающегося в способности любых подвижных масс (в том числе и жидкостей), связанных с вращающимся валом, перемещаться при определенных условиях к положению контрдисбаланса. Теоретически, использование этого эффекта открывает (с 1930 г.) путь создания конструктивно простых балансирующих устройств, автоматически компенсирующих в диапазоне закритических частот вращения несбалансированность вращающихся масс (роторов) с заранее неизвестным или изменяющимся во времени дисбалансом, что является несомненным достоинством этого класса устройств и определяет постоянный интерес к ним [1, 2, 3]. Тем не менее, устройства этого типа до сих пор не востребованы практикой, поскольку они, как правило, не обеспечивают при многократных запусках полной повторяемости балансировки. Причиной тому являются недостатки, порождаемые самой схемой построения устройств, которая при всем разнообразии конструкций традиционно повторяет классический принцип устройства Сирля - использование малого числа массивных противовесов с демпфированием их движения вязким трением в жидкости. Такая схема, во-первых, допускает значительный разброс начальных условий движения системы «ротор-балансир» от пуска к пуску и, во-вторых, вызывает максимальное торможение противовесов на самом активном начальном этапе балансировки, что приводит в конце концов к потере точности балансировки. Преодоление этих недостатков требует создания дополнительных устройств, что влечет за собой усложнение конструкций и резкое ограничение возможности их реализации [3, 4, 5, 6].

Изменить эту ситуацию позволяют самобалансирующие устройства, в которых в качестве балансиров используется большое количество шаров малой массы с нелинейным демпфированием их движения [7, 8]. Однако такой подход к решению проблемы не является единственно возможным.

Наиболее близким по техническому исполнению к заявляемому изобретению является устройство-прототип, содержащее замкнутую кольцевую полость, внутри которой размещены стальные противовесы и жидкость для смазки и демпфирования, целиком заполняющая остальную часть полости. Для достижения удовлетворительной работоспособности в конструкцию заложены предельно высокие требования к качеству обработки и точности изготовления (до долей микрометра) рабочих поверхностей, однако оценки стабильности работы устройства не приводятся [4].

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание пассивного автобалансира, обеспечивающего стопроцентную стабильность балансировки при одновременном упрощении и удешевлении конструкции устройства.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в заявляемом устройстве кольцевая полость имеет прямоугольное сечение, а массивные шары-противовесы заменены на твердые подвижные тела, масса которых меньше массы вытесняемой ими жидкости. Иными словами, применены рабочие тела с обратным по сравнению с прототипом соотношением массы шаров М_ш и массы вытесняемой ими жидкости М_ж: в прототипе М_ш/М_ж >1, в предлагаемом устройстве М_ш/М_ж<1. Выполнение последнего неравенства приводит к радикальному изменению функций рабочих элементов балансира и их поведения в процессе балансировки. Жидкость, обладая большей, чем твердые подвижные тела, массой при равенстве объемов, становится основным подвижным носителем уравновешивающей массы, не теряя функций смазки и демпфирования и оставаясь свободной от воздействия сил сухого трения. Тела же теряют функции противовесов и превращаются в поплавки, которые при разгоне ротора "всплывают" к внутреннему ободу кольцевой полости, а на рабочих оборотах смещаются в зону дисбаланса, освобождая место для таких же по объему, но более тяжелых масс жидкости в диаметрально противоположной зоне контрдисбаланса.

Прямоугольное сечение кольцевой полости способствует свободному перемещению жидкости как носителя уравновешивающей массы и делает устройство более простым в изготовлении.

Твердые подвижные тела для увеличения подвижности могут быть выполнены в форме шаров.

На фиг.1 изображено самобалансирующее устройство и расположение шаров в полости до начала вращения при вертикальной (а) и горизонтальной (б) ориентации оси вращения; на фиг.2 изображено движение шаров в процессе балансировки, где

1 - корпус устройства,

2 - кольцевая полость,

3 - жидкость,

4 - шары.

Устройство содержит корпус 1, имеющий замкнутую кольцевую полость 2 прямоугольного сечения с гладкой внутренней поверхностью, целиком заполненную жидкостью 3 с погруженными в нее твердыми шарами 4, способными всплывать в жидкости. Шары 4 могут быть как монолитными, так и полыми. В качестве примера можно указать несколько возможных сочетаний материала шаров и жидкостей: пробка-вода, пенопласт-вода, пенопласт-спирт и др., для которых отношение М_ш/М_ж не превосходит 0,3. Устройство сохраняет способность балансировки при любом количестве шаров 4, начиная с двух до тех пор, пока на внутреннем ободе остается пространство для перемещения шаров. Однако наилучшие возможности для балансировки достигаются при заполнении внутреннего обода наполовину. При этом размеры полости должны обеспечивать свободное перемещение шаров 4 и жидкости 3.

Самобалансирующее устройство работает следующим образом. В исходном положении, до начала вращения ротора шары 4 располагаются у верхней стенки кольцевой полости 2 произвольным образом при вертикальной ориентации вала (фиг.1, а) либо всплывают компактной группой к верхней части внешнего обода при горизонтальной ориентации вала (фиг.1, б). С началом вращения пограничный слой жидкости 3 у стенок кольцевой полости 2 вовлекает остальную жидкость 3 с шарами 4 в совместное движение, а возникающее при вращении центробежное ускорение создает в жидкости 3 перепад давления вдоль радиуса полости 2 с минимумом на внутреннем ободе. Легкие шары 4, продолжая вращаться вместе с жидкостью 3, всплывают в зону наименьшего давления к внутреннему ободу и остаются там в течение всей дальнейшей работы.

После прохождения резонанса и выхода на рабочие обороты, когда скорость вращения жидкости 3 уравнивается со скоростью вращения корпуса 1, случайные возмущения затухают и в полости 2 создаются условия для действия сил, стремящихся переместить подвижные массы к положению контрдисбаланса. Эти силы действуют как на жидкость 3, так и на шары 4, но в условиях сплошности жидкости 3 перемещения становятся взаимосвязанными. Поскольку силы пропорциональны массам подвижных тел, то твердые и легкие, практически безынерционные по сравнение с жидкостью 3 шары 4 могут изменить свое положение только под действием сил давления в жидкости 3. В процессе балансировки жидкость 3 устремляется в сторону дисбаланса, вытесняя шары 4 в противоположном направлении по внутреннему ободу (фиг.2). Следует отметить, что шары 4 участвуют в процессе не только как рабочие тела для перемещения масс. Другой их функцией является удержание уравновешивающих объемов жидкости 3 на стороне положения контрдисбаланса, поскольку в сильном поле центробежных сил жидкость 3 при отсутствии каких-либо формосохраняющих элементов распределится практически равномерным слоем по наружному ободу кольцевой полости 2, лишив устройство способности балансировки.

По мере приближения системы к состоянию уравновешенности поле балансирующих сил постепенно исчезает и перемещение подвижных масс под действием внутренних потерь энергии в жидкости 3 прекращается. Благодаря вовлечению в процесс одновременно двух типов высоко подвижных тел (текучей жидкости 3 и легких шаров 4) и снижению влияния сухого трения процесс балансировки проходит настолько эффективно, что различие начальных условий движения системы "ротор-балансир" при повторных запусках практически не влияет на точность работы устройства.

Эффективность работы предлагаемого устройства может быть еще более повышена заменой шаровых поплавков на поплавки в форме круговых цилиндров тех же габаритов. Такая замена, не изменяя характер работы устройства, дает возможность расширить диапазон балансировки по дисбалансу примерно в 1,5 раза и одновременно упрощает процесс изготовления поплавков.

Предлагаемое устройство, создавая повышенную мобильность балансирующих масс и снижая вредное влияние сухого трения за счет использования текучей жидкости в качестве основного носителя подвижной массы, обеспечивает при любой ориентации оси вращения ротора эффективность и точность балансировки со стопроцентной стабильностью работы при многократных запусках. Конструкция устройства универсальна, технологична и допускает при изготовлении использование самых распространенных материалов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ден-Гартог Дж. П. Механические колебания. - М.: Физматгиз, 1960.

2. Блехман И.И. Синхронизация динамических систем. - М.: Наука, 1971.

3. Справочник по балансировке / Под ред. М.Е. Левита. - М.: Машиностроение, 1992.

4. Патент США № 3733923, кл. F 16 F 15/32, 1973.

5. СССР, а.с. № 1048342, кл. G 01 M 1/02, Автоматическое балансирующее устройство, 1983.

6. СССР, а.с. № 1201697, кл. G 01 M 1/02, Автоматическое балансирующее устройство, 1985.

7. Патент РФ № 2063011, кл. G 01 M 1/38, 1/02, Самобалансирующее устройство, 1996.

8. Патент РФ № 2210014, кл. F 16 F 15/32, G 01 M 1/38, 1/02, Самобалансирующее устройство, 2003.