ЦЕНТРИФУГА С РОТОРОМ С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
CENTRIFUGE WITH HORIZONTAL ROTOR

Изобретение относится к шнековой центрифуге типа заявленной в ограничительной части формулы.
В документах № ЕР 0107470 В1 и № US 4504262 раскрыты цилиндры декантаторов (шнековых центрифуг с замкнутым кожухом) с подрессориванием. В указанном случае в качестве пружин использованы винтовые пружины, ориентированные радиально относительно оси вращения. В обоих случаях подрессоривание выполнено посредством резьбовых болтов, проходящих через винтовые пружины между блоками подшипников цилиндра и опорным кольцом, причем опорное кольцо расположено концентрически с блоком подшипников и прикреплено или присоединено к станине машины. Это позволяет выбирать рабочие частоты вращения выше основной резонансной частоты системы. В конструктивном отношении здесь требуется лишь сравнительно небольшой зазор между блоками подшипников и окружающими их опорными кольцами.
В документе № WO 94/07605 раскрыта конструкция, сходная с той, что раскрыта в указанных выше документах, с той разницей, что здесь подрессорен только один конец цилиндра.
В документе № DE 4315694 А1 раскрыта вытянутая центрифуга с устройством для снижения звукопроводимости конструкции.
В документах №№ DE 2606589 А1, DE 3134633 А1 и DE 6609011 U описаны подшипники для сравнительно коротких цилиндров, не опорные, но предназначенные для подвешивания.
Кроме того, в число цитируемых документов, известных из уровня техники, входят №№ DE 2632586 А1, US 2094058, US 4640770 и DE 711095 С.
Задачей настоящего изобретения является разработка более эффективного, чем в известных конструкциях, подрессоривания цилиндра, или всего ротора с цилиндром, для центрифуги подобного типа. В частности, оно рассчитано на вытянутые конструкции с отношением длины ротора к диаметру более 2.
Указанная задача решается благодаря конструкции, заявленной в пункте 1 формулы, тогда как зависимые пункты описывают ее усовершенствования.
Согласно отличительной части пункта 1, пружинные элементы ориентированы вертикально или по существу вертикально.
Опора предпочтительно обеспечивается комбинированными пружинно-демпфирующими элементами, либо пружинными элементами и отделенными от них демпфирующими элементами.
Предмет пункта 1 характеризуется тем, что цилиндр или весь ротор с цилиндром подрессорен без образования в зоне подвески даже малейших зазоров между деталями, установленными с возможностью относительного движения, затрудняющих управление системой.
В отличие от известных конструкций, это позволяет беспрепятственно эксплуатировать цилиндр при рабочей частоте вращения значительно превышающей основную резонансную частоту (форма свободных колебаний ротора) системы.
В результате можно разработать горизонтальную центрифугу с подпружиненным подшипником ротора, что позволяет добиться оптимальных характеристик в процессе эксплуатации.
Настоящее изобретение применимо, в особенности, для конструкций вытянутой формы, в которых отношение длины ротора или цилиндра к его диаметру превышает 2, предпочтительно более 2,5, а еще предпочтительнее превышает 3.
В очень длинных роторах их длина обуславливает образование формы свободных колебаний или линий изгиба на отдельных частотах. Эти частоты, как правило, несколько превышают нормальные рабочие частоты вращения.
Собственные частоты ротора, которые могут ограничивать возможную рабочую частоту вращения, смещаются в сторону более высоких величин путем отсоединения массы станины или основания. Благодаря этому удается существенно повысить рабочую частоту вращения.
Учитывая, что кроме упругих характеристик пружинные элементы предпочтительно обладают и выраженными демпфирующими свойствами, или что в добавление к опорным пружинным элементам предусматриваются демпферы, колебательная роторная система приобретает особые демпфирующие способности, что дает целый ряд дополнительных преимуществ.
Так, например, прогиб при прохождении через критические (резонансные) частоты вращения, например, роторной системы относительно станины или фундамента машины во время пуска и останова шнековой центрифуги ограничен весьма незначительными величинами. Это предотвращает соударение подвижных частей с неподвижными частями машины.
Заявляемая конструкция позволяет эксплуатировать шнековую центрифугу в надкритическом режиме с очень высокой частотой вращения по отношению к первым собственным частотам ротора, в результате чего рабочая частота вращения может превышать первую резонансную частоту ротора или его отдельных узлов: цилиндра и шнека.
Поскольку, к тому же, ход незначителен, зазоры, например, между цилиндром и резьбой шнека могут быть даже уменьшены по сравнению с ранее предлагавшимися решениями для надкритического режима, с малым демпфированием или вовсе без демпфирования.
Зазоры меньшего размера легче уплотнять.
Пружинные и демпфирующие элементы предпочтительно имеют частотно-зависимые характеристики, что позволяет свести к минимуму стрелку прогиба, то есть расстояние, на которое отклоняется ротор относительно фундамента или станины машины на резонансных частотах.
Поскольку цилиндры заполнены жидкостью при рабочем вращении, эта жидкость тоже может способствовать колебаниям шнековой центрифуги, особенно если она заполнена частично при пуске и останове.
Кроме того, сочетание пружин и демпферов позволяет обеспечить такую работу, при которой ротор не подвержен возбуждению недопустимых колебаний извне.
Надо сказать, возбуждение извне имеет обычно лишь сравнительно небольшую амплитуду.
Однако может случиться и так, что возбуждение имеет место точно на резонансной частоте системы. Если демпфирование системы недостаточно, ротор войдет в нежелательные колебания.
Выбранное расположение пружинных элементов непосредственно на подшипнике цилиндра позволяет также добиться изотропного демпфирования в вертикальном и горизонтальном направлениях, на что можно повлиять соответствующей регулировкой демпфера, осуществляемой также надлежащим (анизотропным) образом. Предпочтительно изотропное демпфирование.
Демпфирование зависит от частоты вращения и перемещения и сконструировано так, чтобы получить высокий уровень демпфирования на низких оборотах при прохождении через собственные частоты ротора, и при этом обеспечивается сравнительно низкий уровень демпфирования на рабочих частотах вращения выше резонансной частоты. В результате, существенно ограничивается изгиб при прохождении через собственную частоту.
Демпфирование при резонансе должно составлять не менее 3%; и особенно высокая эффективность достигается при величинах демпфирования 10-30%. Под демпфированием следует понимать преобразование энергии колебаний в какую-либо иную форму энергии - например, в тепло. Следствием такого преобразования энергии оказывается уменьшение амплитуды в области резонансной частоты. Указанные в процентах величины демпфирования следует понимать в смысле коэффициента демпфирования D по Леру, определяемому по формуле:
где
(постоянная затухания огибающей е-функции)
0
ω - собственная частота недемпфированной системы;
с - жесткость пружины.
Для рабочей частоты вращения, напротив, низкий уровень демпфирования влечет незначительные динамические нагрузки на опору, что позволяет увеличить срок службы подшипников. В связи с этим целесообразно настроить систему таким образом, чтобы достижение резонансной частоты происходило при частоте вращения менее 70% от рабочей частоты вращения, а предпочтительно - менее половины рабочей частоты.
В итоге, настоящее изобретение позволяет создать шнековую центрифугу, в частности, с замкнутым кожухом, в которой можно применять особо высокие рабочие частоты вращения.
Следует также отметить, как особое преимущество изобретения, что удалось создать шнековую центрифугу, которая, несмотря на высокие частоты вращения, работает относительно бесшумно, поскольку звукопроводность конструкции снижена, и она особенно низка ввиду того, что вращающаяся система не передает недемпфированный звук непосредственно на корпус или на станину.
Корпус заявляемой шнековой центрифуги характеризуется также особо компактной конструкцией.
Ниже приводится более подробное описание изобретения, которое иллюстрируется с помощью отдельных примеров осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 показывает схематически вид сбоку шнековой центрифуги с замкнутым кожухом.
Фиг.2 представляет собой повернутый на 90° вид с фиг.1, подробно показывающий область одного опорного подшипника шнековой центрифуги.
Фиг.3, аналогично виду с фиг.2, показывает дальнейшее усовершенствование области опорного подшипника шнековой центрифуги с замкнутым кожухом.
На фиг.1 представлена шнековая центрифуга с замкнутым кожухом, корпус 1 которой охватывает вращающийся цилиндр 2 с горизонтальной осью вращения D.
В цилиндре 2 установлен шнек 3 с возможностью вращения с частотой, отличной от частоты вращения цилиндра 2.
Здесь в качестве примера привода показано приводное устройство с коробкой передач со ступенями 4, 5, причем ступень 4 приводится в действие через ременные передачи 6, 7, соответственно, от первого двигателя 8 и от второго двигателя 9.
Цилиндр 2 или весь ротор как единая вращающаяся область шнековой центрифуги с замкнутым кожухом, который содержит, по меньшей мере, один вал 19, цилиндр 2 и шнек 3, установлен с возможностью вращения в блоках подшипников 10, 11, расположенных по обоим концам цилиндра 2.
В качестве примера здесь приводится предпочтительный вариант конструкции, в соответствии с которым один из двух блоков подшипников, 10, смонтирован вокруг вала (секций) 19 между двумя ступенями 4, 5 коробки передач, снаружи в продольном направлении от одного из концов цилиндра 2, а второй блок подшипников, 11, снаружи в продольном направлении от второго конца цилиндра.
Каждый из блоков подшипников 10, 11 предпочтительно содержит по два роликоподшипника или подшипника скольжения 12, 13 в корпусах 14, 15, которые опираются через пружинные элементы 17, 18 на станину 16.
Особо целесообразно выполнить один из подшипников 12 в виде шарикоподшипника с канавкой, а второй подшипник 13 - в виде цилиндрического роликоподшипника, тогда роликоподшипник будет нести радиальную нагрузку, шарикоподшипник - осевую и радиальную.
Однако поскольку осевые усилия невелики, можно также использовать вместо шарикоподшипника с канавкой еще один цилиндрический роликоподшипник в качестве неподвижной опоры, снабдив его соответствующими закраинами.
На каждом из своих двух концов ротор опирается с подрессориванием на станину 16 или на основание через два пружинных элемента 17, 18. В этом случае пружинные элементы подрессоривают цилиндр 2 на станине 16 или на основании, не в радиальном направлении, и работают на сжатие.
В соответствии с одним из предпочтительных усовершенствованных вариантов, два пружинных элемента 17, 18 отцентрованы продольно относительно оси вращения D, в области блоков подшипников 10, 11. Предпочтительно, чтобы они были продольно отцентрованы также и в плане, между двумя подшипниками 12, 13 каждого блока подшипников 10, 11.
В данном случае, в соответствии с одним из типовых вариантов осуществления, показанным на фиг.2, пружинные элементы 17, 18 представляют собой комбинированные пружинно-демпфирующие элементы, которые ориентированы вертикально или по существу вертикально, в направлении оси Z, относительно горизонтальной оси вращения D, в направлении оси Х в системе координат на фиг.1.
Как видно на фиг.2, это достигается благодаря пружинно-демпфирующим элементам, помещенным между кронштейнами 20, 21 на корпусах 14, 15 подшипников и станине 16. Эти два кронштейна предпочтительно выступают из внешней окружности корпусов подшипников в противоположных направлениях и обращены в противоположные стороны. В данном случае на фиг.2 показана ориентация по горизонтали под прямым углами к оси вращения, а на фиг.3 - компоновка с расположением под небольшим углом к горизонтали (Y). Кронштейны 20, 21 расположены предпочтительно выше горизонтально ориентированной оси вращения цилиндра. Пружинно-демпфирующие элементы 17, 18 расположены предпочтительно сбоку рядом с цилиндром таким образом, чтобы их верхние концы находились над осью вращения цилиндра D, а нижние концы - под этой осью (фиг.2). Продольная средняя точка пружин предпочтительно расположена сбоку от подшипников, на высоте, соответствующей высоте центра подшипников.
В конструкции, подобной рассматриваемой здесь, пружинные элементы 17, 18 могут быть ориентированы по вертикали или по существу по вертикали благодаря тому, что эти пружинные элементы обладают упругой жесткостью в нескольких направлениях, в частности, на фиг.2 - в вертикальном и горизонтальном.
Предпочтительно также применять комбинированные пружинно-демпфирующие элементы 17, 18.
Такие комбинированные пружинно-демпфирующие элементы сами по себе известны.
В отношении конструкции, в порядке примера, их можно выполнить посредством использования надлежащим образом сконструированных винтовых пружин в качестве пружинных элементов 17, 18, которые помещают в предпочтительно замкнутые емкости, заполненные вязкой жидкостью или вязким составом.
Размещение пружинных элементов 17, 18 сбоку от корпусов подшипников обеспечивает практически изотропное подрессоривание ротора в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Кроме того, соотношением двух коэффициентов упругой жесткости можно манипулировать настройкой жесткости пружинных элементов в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Как видно на фиг.1, это достигается, например, подбором отношения длины винтовых пружин к их диаметру.
Винтовые пружины работают на сжатие в вертикальном направлении. Напротив, перемещение ротора по горизонтали порождает в пружине усилие сдвига. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления горизонтальная упругая жесткость составляет примерно 30-100% вертикальной упругой жесткости.
Использование упругой жесткости пружин во всех направлениях, в том числе и в осевом, позволяет применить комбинированные пружинно-демпфирующие элементы, и устанавливать такие элементы соответственно, в частности, параллельно или практически параллельно.
В данном случае предпочтительна показанная на фиг.2 параллельная установка в вертикальном направлении.
Однако можно, разумеется, предусмотреть и установку каждого из пружинных элементов 17, 18 под некоторым углом α к вертикали Z.
Один из подобных вариантов осуществления с двумя пружинами, расположенными под некоторым углом друг к другу в направлении вверх, но не ориентированных радиально, показан на фиг.3. Можно также предусмотреть такую конструкцию (не показана), в которой угол α был бы в каждом случае ориентирован в другую сторону.
Угол α между продольными осями пружинных элементов 17, 18 в форме винтовых пружин относительно вертикали Z находится в пределах 0-30°, предпочтительно в пределах 0-15°.
Вертикальная ориентация имеет то преимущество, что емкости с вязким составом не требуют какой-либо особо тщательной герметизации, которая нужна была бы в случае, как на фиг.3, когда ориентация отличается от вертикальной.
Поскольку блоки подшипников установлены на пружинных элементах с возможностью наклона, подшипники цилиндра между блоком подшипников и цилиндром должны также быть способны противостоять опрокидывающему моменту.
Это достигается размещением двух подшипников 12, 13 в блоке подшипников на некотором расстоянии друг от друга. Это расстояние выбирается предпочтительно таким, чтобы оно было равно, по меньшей мере, половине внутреннего диаметра подшипника.
В случае интегрального подшипника сказанное относится к его основанию.
Изобретение применимо для конструкций с неподвижным и плавающим закрепленным подшипниками, интегральными подшипниками, плавающими подшипниками, двухрядными подшипниками, роликоподшипниками и подшипниками скольжения разнообразных типов.
Особенно целесообразно использование схемы с неподвижным и плавающим закрепленным подшипниками.
Такая конструкция допускает сравнительно легкую сборку, не требуя в то же время каких-либо регулировок при установке.
Приведение во вращение цилиндра 1 происходит предпочтительно с помощью ременных передач, присоединенных непосредственно к подрессоренному цилиндру 2. Надлежащая настройка упругой жесткости пружинных элементов 17, 18 подразумевает, что любое возможное изменение воздействующих на вал нагрузок, обусловленных ременной передачей, как например, уменьшение усилия предварительного натяжения, вызываемого центробежными силами в зоне вращения, не приведет к возникновению какого-либо нештатного состояния.
Двигатели 8, 9 можно также отсоединить от станины. Отсоединение двигателей от станины также возможно, в частности, в случае пьедестального исполнения.
Особо целесообразно использование ряда двигателей 8, 9, расположенных на общей плите.
Размещение всех компонентов в или на общем корпусе позволяет получить конструкцию в виде готового к монтажу агрегата, который поставляется с завода-изготовителя полностью протестированным.
При этом установка на объекте заказчика сводится лишь к монтажу электропроводки и подсоединению труб.
Как видно на фиг.1, пружинные элементы 17, 18, показанные схематически, физически/пространственно отделены от демпфирующих элементов 22. В данном случае пружинные элементы 17, 18 могут также представлять собой винтовые пружины, в то время как для демпфирования могут быть использованы, напротив, гидравлические или пневматические демпферы, в том числе регулируемого типа.
ПОЗИЦИИ НА ЧЕРТЕЖАХ
1. Корпус
2. Цилиндр
D. Ось вращения
3. Шнек
4, 5. Ступени коробки передач
6, 7. Приводные ремни
8, 9. Двигатель
10, 11. Блоки подшипников
12, 13. Роликоподшипники или подшипники скольжения
14, 15. Корпуса подшипников
16. Станина
17, 18. Пружинные элементы
19. Вал
20, 21. Кронштейны
23. Демпфирующие элементы
Z. Вертикальная ось
X. Продольная ось
Y. Горизонтальная ось