ШЛИФОВАЛЬНАЯ МАШИНА С САМОБАЛАНСИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована при производстве ручных машин вращательного действия с низким уровнем вибрации, например различных типов шлифовальных машин, в частности угловых шлифовальных машин.
При работе шлифовальных машин возникает существенная вибрация, поэтому во многих странах введены законодательные нормы по ограничению воздействия вибрации на оператора. Основная причина вибрации при работе шлифовальных машин - дисбаланс рабочего диска.
Для защиты операторов ручных машин вращательного действия от возникающих в процессе эксплуатации вибраций широко используются антивибрационные рукоятки, накладки на рукоятки из специальных виброгасящих материалов и ряд других устройств. Однако эти устройства не устраняют причин возникновения вибраций.
Известно автобалансирующее устройство для устранения дисбаланса рабочего диска и снижения уровня вибраций в ручных шлифовальных машинах, представляющее собой установленную на шпинделе машины камеру с закрытой кольцевой полостью (заявка США №2002056338, публикация 2002 г). Эта полость заполнена вязкой жидкостью и небольшим количеством крупных металлических шаров, имеющих возможность перемещаться по окружности. При этом размер шаров близок к размеру поперечного сечения кольцевой полости. При вращении шпинделя шары-противовесы должны распределяться в полости так, чтобы уравновесить дисбаланс рабочего круга.
Ряд фирм («Protool», «Metabo», «Kress», «Milwaukee» и др.) применяют подобные автобалансиры в конструкциях отдельных моделей своих угловых шлифовальных машин (УШМ).
Однако исследования работы автобалансиров такой конструкции на экспериментальном стенде () выявили существенные недостатки в их работе:
- при малой вязкости смазки беговой дорожки шары не разгоняются ни при тряске ручных шлифовальных машин, ни при резании, несмотря на большие обороты диска;
- при некотором увеличении вязкости смазки - шары разгоняются, но не догоняют диск, они прижаты друг к другу и вращаются относительно диска, отставая от него (квазипериодические движения);
- при большой вязкости смазки - шары разгоняются, разгон неспокойный, шары малоподвижны относительно диска и плохо реагируют на дисбаланс;
- при оптимальной вязкости смазки - шары разгоняются, разгон не спокойный, относительно долгий, шары относительно малоподвижны, медленно реагируют на дисбаланс.
Вследствие этих недостатков автобалансирующие устройства описанной конструкции хотя и обеспечивают общее снижение уровня вибраций шлифовальных машин, но в разных замерах амплитуды колебаний (при одном и том же уровне дисбаланса и идентичных условиях испытаний) показания отличаются в 2-10 раз, то есть балансировка происходит очень нестабильно.
Все вышеперечисленные недостатки усиливаются с изменением вязкости жидкости при изменении температурных условий работы шлифовальных машин и при существенном увеличении наружного диаметра камеры, в которой движутся шары-противовесы.
Известна шлифовальная машина с автобалансиром, который расположен не на шпинделе рядом с рабочим диском, а отнесен по валу в корпус машины (международная заявка WO03095862, публикация 2003 г.). Это позволяет увеличить наружный диаметр балансира и его мощность, но не устраняет описанных выше недостатков в достижении стабильности балансировки.
В качестве прототипа полезной модели выбрана угловая шлифовальная машина с автобалансиром «PROTOOL AGP 150-14 DE АВ» (). В корпус данного автобалансира помещено 5 шаров диаметром 8,65 мм, которые с небольшим зазором перемещаются по каналу с вязкой жидкостью. Конструкция автобалансира совмещена с фланцем, на который устанавливается рабочий диск. Данный автобалансир осуществляет снижение вибраций рабочего диска, но, при одних и тех же условиях, снижение уровня вибраций различается в несколько раз, что свидетельствует о том, что балансировка происходит нестабильно и неоднообразно.
Технической задачей, для решения которой предназначена заявляемая полезная модель, является эффективное снижение уровня вибрации работающей шлифовальной машины путем организации процесса автоматической компенсации ее неуравновешенности с помощью конструктивно простого и стабильно работающего самобалансирующего устройства.
Сущность предложенной полезной модели заключается в следующем.
Шлифовальная машина содержит корпус, закрепленный в нем с возможностью вращения шпиндель, на котором установлен рабочий диск, защитный кожух и самобалансирующее устройство автоматической компенсации дисбаланса рабочего диска при его вращении на рабочих оборотах. Самобалансирующее устройство выполнено в виде концентрично расположенной относительно оси вращения шпинделя замкнутой кольцевой камеры с размещенными в ее кольцевой полости шариками-противовесами. Внутренняя кольцевая полость камеры балансировочного устройства выполнена прямоугольного поперечного сечения и в ней размещен комплект стальных шариков малого диаметра, причем шарики размещены с возможностью свободного перемещения по внешней стенке кольцевой полости в два и более ряда. Размеры кольцевой полости, а также количество и диаметр шариков выбраны таким образом, что при плотном размещении шариков в кольцевой полости в один слой они занимают не более половины площади поверхности ее внешней стенки.
Самобалансирующее устройство автоматической компенсации дисбаланса рабочего диска может быть выполнено в виде отдельной конструкции, закрепленной на шпинделе и размещенной в машине между корпусом и защитным кожухом.
Рабочий диск машины может быть расположен на фланце, закрепленном на шпинделе, при этом замкнутая кольцевая камера самобалансирующего устройства может быть образована во фланце.
Замкнутая кольцевая камера самобалансирующего устройства может быть образована в зажимной гайке, посредством которой рабочий диск поджат в сторону корпуса.
В случае необходимости компенсации дисбалансов большой величины кольцевая камера самобалансирующего устройства может содержать дополнительную кольцевую полость с размещенными в ее кольцевой полости шариками-противовесами, при этом обе полости кольцевой камеры располагаются одна над другой концентрично оси вращения шпинделя.
Использование в качестве балансирующей массы самобалансирующего устройства большого количества мелких шариков и отсутствие вязкой жидкости позволяет обеспечивать их быстрое перемещение в необходимое место, своевременное демпфирование их движения и фиксацию в требуемом месте. При изменении величины дисбаланса происходит быстрая и адекватная перегруппировка балансирующей массы шариков. Это обеспечивает стабильную и эффективную балансировку.
На фиг.1-3 схематично изображена предлагаемая шлифовальная машина с различными вариантами размещения самобалансирующего устройства; на фиг.4 - кольцевая камера и расположение шариков-противовесов при не вращающемся шпинделе УШМ; на фиг.5 - разрез АА на фиг.4 (расположение шариков в камере во время вращения шпинделя); на фиг.6 - положение шариков-противовесов в финальной стадии процесса компенсации дисбаланса рабочего диска при рабочих оборотах шпинделя.
Шлифовальная машина содержит корпус 1, закрепленный в нем с возможностью вращения шпиндель 2, на котором крепится рабочий диск 3, защитный кожух 4 и самобалансирующее устройство автоматической компенсации дисбаланса рабочего диска при его вращении на рабочих оборотах.
Самобалансирующее устройство может быть выполнено в виде отдельной детали 5, установленной между корпусом 1 и защитным кожухом 4 (фиг.1), либо совмещено с фланцем 6 для посадки рабочего диска (фиг.2), либо совмещено с зажимной гайкой 7, посредством которой рабочий диск поджат в сторону корпуса (фиг.3).
Самобалансирующее устройство выполнено в виде концентрично расположенной относительно оси вращения шпинделя замкнутой кольцевой камеры 8 с размещенными в ее кольцевой полости 9 шариками-противовесами 10. Кольцевая полость 9 имеет прямоугольное поперечное сечение и в ней размещен комплект стальных шариков малого диаметра, причем шарики размещены с возможностью свободного перемещения по внешней стенке кольцевой полости в два и более ряда. Размеры кольцевой полости, а также количество и диаметр шариков выбраны таким образом, что при плотном размещении шариков в кольцевой полости в один слой они занимают не более половины площади поверхности ее внешней стенки.
В случае необходимости компенсации дисбалансов большой величины кольцевая камера самобалансирующего устройства может содержать дополнительную кольцевую полость с размещенными в ее кольцевой полости шариками-противовесами, при этом обе полости кольцевой камеры располагаются одна над другой концентрично оси вращения шпинделя (не показано).
Работа самобалансирующего устройства предлагаемого типа происходит следующим образом. В исходном положении до начала вращения шпинделя шарики находятся в нижней части кольцевой полости, располагаясь случайным образом. С началом вращения шпинделя шарики вовлекаются в движение силой трения о стенки и под действием центробежного ускорения сосредотачиваются на внешней стенке (ободе) полости и приобретают возможность свободно двигаться по ней в несколько рядов независимо друг от друга (фиг.5).
После достижения шпинделем критических (резонансных) оборотов взаимодействие обода с шариками-противовесами при наличии дисбаланса рабочего диска порождает балансирующие силы, стремящиеся переместить шарики-противовесы по ободу из любого положения в зону контрдисбаланса. В начальной стадии этого процесса шарики занимают случайные положения и потому обладают максимально возможной подвижностью. Под воздействием балансирующих сил шарики начинают быстро двигаться в зону контрдисбаланса, образуя два встречных потока. Столкновение потоков происходит в зоне контрдисбаланса и порождает там многократное соударение шариков друг с другом и с боковыми стенками полости. За счет потерь энергии, расходуемой на деформацию материала шариков при их соударениях, происходит быстрая остановка шариков-противовесов (демпфирование «релейного» типа) и накопление уравновешивающей дисбаланс массы в зоне контрдисбаланса.
Одновременно поле балансирующих сил ослабевает до нуля и шарики, не вошедшие в балансирующую группу, останавливаются на ободе, занимая случайные положения, не нарушающие в целом достигнутого уравновешивания шлифовальной машины (фиг.6).
Это положение шариков-противовесов сохраняется неизменным при неизменной величине дисбаланса и при вращении шпинделя с различными скоростями (как при повышении скорости, так и при ее понижении) вплоть до почти полной остановки.
Однако, в случае изменения дисбаланса рабочего диска, например, за счет его неравномерного износа или налипания частиц обрабатываемого материала, автоматически происходит соответствующее изменение положения и состава балансирующей группы шариков-противовесов, восстанавливающее балансировку шлифовальной машины. Маленький размер шариков, кроме прочего, способен обеспечить выдачу небольших порций груза-противовеса при необходимости увеличить или уменьшить балансирующую группу шариков, то есть улучшает чувствительность самобалансирующего устройства.
Количество и параметры шариков-противовесов, достаточное по своей массе для компенсации заданного максимально возможного дисбаланса рабочего диска, определяется расчетным путем и может содержать от нескольких десятков до нескольких сотен шариков.
Прямоугольная форма поперечного сечения кольцевой полости делает самобалансирующее устройство простым в изготовлении и позволяет, используя шарики малого диаметра, обеспечить его компактность. Это, в свою очередь, значительно расширяет возможности размещения устройства на шпинделе шлифовальной машины или даже совмещение его с прижимными фланцами или с фиксирующей гайкой, без существенного вмешательства в исходную конструкцию шлифовальной машины.
Предлагаемая конструкция самобалансирующего устройства для шлифовальных машин, обеспечивает эффективную и стабильную компенсацию небаланса рабочего диска, снижение уровня вибраций. При этом устройство значительно проще в изготовлении и не требует наличия жидкости в камере и ее герметизации. В результате его применения улучшатся условия работы оператора и качество выполняемых работ, увеличится срок службы рабочих дисков, уменьшится износ других деталей машины вследствие работы при сниженном уровне вибрации.
Предложенное техническое решение может быть использовано в конструкциях различного типа шлифовальных машин, в частности в угловых шлифовальных машинах, а также в машинах для шлифования рельсов.