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 равномерно через промежутки диаметрально пронизывающими поперечные сечения трубки по всему ее периметру осями с отверстием в центральной части, 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 расположенных между осями участках натянутой внутри трубки струны, плотно вставленной в отверстия в осях с возможностью относительных смещений под действием центробежных сил инерции вращающихся балансировочных грузов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для автоматической 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 устройств 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, 1973 [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 вплоть до полного отвердевания в процессе балансировки.

Недостатками известных устройств, даже при использовании в качестве балансировочной жидкости отвердевающей жидкости, 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 к стабильности балансировочного процесса.

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/, и 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 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.

Сущность изобретения заключается в создании устройства для автоматической балансировки роторов, позволяющего реализовать в процессе вращения ротора эффект автоматической самобалансировки за счет вязкоупругих взаимных радиальных смещений относительно оси вращения ротора дополнительных балансировочные грузов, перекрестно связанных между собой и ротором позиционными силами упругости и вязкоупругими силами, а также фиксировать достигнутое сбалансированное состояние после прекращения вращения ротора.

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

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 равномерно через промежутки диаметрально пронизывающими поперечные сечения трубки по всему ее периметру осями с отверстиями в центральной части, в качестве рабочей жидкости использована жидкость со свойством увеличения вязкости от состояния текучести до полного отвердевания в процессе балансировки, а балансировочные грузы закреплены на расположенных между осями участках натянутой внутри трубки струны, плотно вставленной в отверстия в осях с возможностью относительных смещений под действием центробежных сил инерции вращающихся балансировочных грузов.

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 слева на фиг.1 с поперечным разрезом.

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 равномерно через промежутки диаметрально пронизывающими поперечные сечения трубки 4 по всему периметру осями 6 с отверстиями 7 в центральной части осей 6, закрепленных снаружи трубки 4 на ее стенках. В качестве рабочей жидкости 3 использована жидкость со свойством увеличения вязкости от состояния текучести до полного затвердевания в процессе балансировки, а балансировочные грузы 5 закреплены на расположенных между осями 6 участках натянутой внутри трубки 4 струны 8, плотно вставленной в отверстия 7 в осях 6 с возможностью относительных смещений под действием центробежных сил инерции балансировочных грузов 5. 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 шаров с плотностью материала, почти на порядок превышающей плотность отвердевающей жидкости 3. Стальная струна 8 прикреплена /припаяна/ концом к одной из осей 6 /на фигурах крепление струны 8 не показано/, далее другой конец струны продет через отверстия 7 последовательно всех осей 6, после чего этот конец с натягом струны 8 прикреплен к той же оси 6, что и первый конец. Исходное положение натянутой струны 8 совпадает с осью симметрии кольцевой трубки 4, проходящей через центры круговых поперечных сечений трубки 4. Балансировочные грузы 5 /стальные шары/ закреплены симметрично на каждом из участков струны 8 между осями 6. При этом прикрепление /подпайка/ грузов 5 к соответствующим участкам струны 8 происходит до натяга струны непосредственно в процессе ее продевания сквозь отверстия 7 сразу же после /см. выше/ размещения краев данного участка струны 8 в отверстиях 7 соответствующих осей 6. Натяг струны 8 в совокупности с массами балансировочных грузов 5, а также силами сопротивления смещению струны 8 с отверстиях 7, подбираются таким образом, чтобы центробежные силы инерции, действующие на грузы 5 при вращении ротора 2 в процессе его балансировки, обеспечивали как возможность прогиба струны 8 на ее участках между осями 6, так и возможность ее смещения относительно осей 6 в отверстиях 7 с возникновением перераспределения длин деформированной струны 8 на ее отдельных участках.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

В исходном статическом состоянии до вращения ротора 2 кольцевая трубка /обойма/ 4 полностью заполнена рабочей жидкостью 3, находящейся в текучем состоянии, а натянутая струна 8 /см. выше/ - ориентирована по центру кольцевой трубки 4 вдоль ее оси симметрии. Далее ротор 2 приводят во вращение с угловой скоростью выше критической. Под действием центробежных сил инерции балансировочные грузы 5 растягивают участки струны 8 между осями 6 до компенсации сил инерции грузов 5 силами упругости струны 8. В идеальном случае при абсолютно сбалансированном роторе 2 все участки струны 8 имеют одинаковую длину, одинаково прогнуты в сторону к периферии ротора 2, относительные смещения струны 8 в отверстиях 7 осей 6 с изменением длины участков струны 8 отсутствуют, и возникает состояние динамического равновесия струны 8 с грузами 5, характеризуемое полной симметрией с одинаковым "выпучиванием" всех участков струны 8 с грузами 5 между осями 6 наружу. При наличии неуравновешенности ротора 2 на основании действия эффекта динамической самобалансировки /автоматического центрирования вращающегося ротора 2/ /данный эффект достаточно хорошо изучен, поэтому описывать его динамику по мнению автора нецелесообразно/ симметричное расположение грузов 5 на участках струны 8 между осями 6 нарушается, и возникает новое состояние динамического равновесия системы ротор 2 - балансировочные грузы 5.

Сразу следует указать, что в данном устройстве разные по величине смещения грузов 5 на отдельных участках струны 8 под действием инерционных сил с преодолением позиционных сил упругости струны 8 и вязкоупругих сил со стороны жидкости 3 имеют двойную природу /причину/, что обуславливает высокую точность, чувствительность и эффективность процесса балансировки. С одной стороны разные силы инерции, действующие на грузы 5 на участках вследствие несбалансированности ротора 2, обуславливают разную деформацию этих участков струны 8 даже при одинаковых длинах струны 8 на участках и, соответственно, разные смещения грузов 5 в радиальных направлениях. С другой стороны те же разные силы инерции на участках обуславливают относительные смещения струны 8 в отверстиях 7 осей 6, взаимное перераспределение за счет этого рабочих длин струны 8 на участках и за счет этого - дополнительная степень относительной подвижности грузов 5 в радиальных направлениях, возможность их более быстрых и точных смещений с большей чувствительностью к неуравновешенности. Необходимо только, как уже было указано выше, совместным подбором таких параметров, как усилие натяжения струны, массы грузов, величина угловой скорости ротора, силы сопротивления /трения скольжения/ смещению струны в отверстиях осей /струна вставлена плотно/ добиться эффективных взаимных смещений участков струны с грузами в процессе вращения ротора, приводящих к возникновению ассиметричности в геометрии струны 8. При выполнении указанных выше условий, как показывают эксперименты, процесс полной балансировки продолжается 2-3 минуты. Далее, при поддержании стабильной уголовной скорости в течение еще 5-10 минут грузы, занимая установившееся положение, фиксируются в данном состоянии отвердевающей жидкостью. Дальнейшее выключение режима вращения и выдержка в течение 10-20 минут позволяют жидкости, грузам и струне вместе с кольцевой трубкой принять состояние единого абсолютно твердого тела.

Широкие функциональные возможности 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 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 минимальном нарушении стабильности угловой скорости в процессе балансировки шары из своих верхних положений мгновенно "сваливаются" вниз на меньшие диаметры, в результате чего достигнутый эффект самобалансировки мгновенно нарушается. В предложенном устройстве процесс смешения грузов, то есть принятия системой нового динамического состояния, происходит постепенно с плавным преодолением упругих сил струны, вязкоупругих сил жидкости, а также сил сухого трения взаимодействия струны с осями в отверстиях, нарастанием упругих деформаций /в устройстве-прототипе это новое состояние заменяется 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 и объясняется возможность балансировки в предлагаемом устройстве с наперед заданной степенью точности при наличие высокой стабильности балансировочного процесса, то есть практически невозможностью случайных сбоев, отклонений и т.д. при проведении балансировки. Устройство отличается чрезвычайной простотой. Балансировочный узел в виде кольцевой трубки имеет минимальные габариты, модульное исполнение. Этим узлом может быть снабжена практически любая динамическая система, работающая в режиме вращения, независимо от габаритов, формы, принципа действия, рабочих характеристик и т.п.