ЦЕНТРОБЕЖНАЯ УСТАНОВКА С МАГНИТНЫМ ПОДШИПНИКОМ
CENTRIFUGAL DEVICE WITH MAGNETIC BEARING

Область техники
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к центробежным установкам с вертикальным ротором (дробилки, мельницы, центрифуги различного назначения, испытательные стенды), и может быть использовано для осуществления центробежных технологических процессов, вызывающих значительную динамическую неуравновешенность ротора.
Предшествующий уровень техники
Известна центробежная установка, содержащая рабочий орган на газостатическом вертикальном опорном узле с ротором в виде части сферы и сферическим подпятником с отверстием для подвода воздуха от вентилятора и привод ротора с механической передачей, состоящей из трех валов, соединенных с возможностью пересечения осей (Патент РФ №2183136, кл. В02С 13/14, В04В 9/12, 7/08, 2002). Недостатком данной установки является низкая надежность работы из-за невысокой радиальной жесткости газостатической опоры и возможность выхода ее из строя при аварийном отключении вентилятора.
Известна также центробежная установка (Патент Республики Беларусь BY №6596, кл. В04В 9/04, 9/12, F16C 32/06, 2004) с использованием бесконтактной газостатической опоры, содержащая контактный радиальный подшипниковый узел (например, состоящий из двух шарикоподшипников), соединенный с корпусом через упругий узел (например, резиновое кольцо).
Привод ротора опоры и рабочего органа осуществляется через гибкий (например, карданный) вал. Недостатком такой установки является то, что бесконтактная газостатическая опора служит в ней только для осевой разгрузки подшипников привода, а радиальная жесткость вала задается упругим узлом с контактными подшипниками, у которых в условиях значительных динамических нагрузок от несбалансированного ротора резко снижается срок службы. В связи с этим предложена центробежная установка (заявка на полезную модель U 20030339, 2003, Республика Беларусь), принятая за прототип, которая содержит рабочий орган для осуществления центробежных технологических процессов, газостатическую опору, привод, выходной вал которого через гибкий вал (например, карданный) связан с рабочим валом. Для увеличения радиальной жесткости газостатической опоры на рабочем валу установлен бесконтактный радиальный магнитный подшипник.
Однако данная установка является сложной, дорогой, металлоемкой в изготовлении и высокоэнергозатратной из-за использования газостатической опоры с вентилятором. Кроме этого, работа мощного вентилятора создает значительное акустическое давление в зоне обслуживания установки и повышенную запыленность (конструкция прототипа, использующая связь с атмосферным воздухом, затрудняет герметизацию технологических процессов). Кроме этого, недостатком прототипа является то, что рабочий орган может располагаться только сверху установки, нижнее положение его невозможно.
Сущность изобретения
Задача изобретения заключается в упрощении устройства, снижении металлоемкости, энергозатрат при эксплуатации и улучшении экологической обстановки, а также в достижении универсальности в отношении положения рабочего вала (рабочего органа).
Эта задача решена благодаря тому, что в центробежной установке, рабочий вал которой сочленен через гибкое соединение с выходным валом привода, магнитный подшипник содержит ферромагнитный ротор, установленный на рабочем валу на расстоянии R от гибкого соединения, и выполненный в виде круглой части сферической оболочки со средним радиусом R, на внешней и внутренней поверхностях которой сделан ряд концентрических выступов, и верхний и нижний ферромагнитные статоры соответственно с вогнутой и выпуклой сферическими рабочими поверхностями, обращенными к ротору, на которых против выступов ротора соответственно помещены кольцеобразные постоянные магниты, при этом статоры сочленены с корпусом подвижно в горизонтальных плоскостях через опоры качения и снабжены амортизаторами. Для демпфирования угловых колебаний рабочего вала на статорах между кольцевыми магнитами помещены концентрические кольца из немагнитного электропроводного материала. Для предохранения магнитного подшипника на рабочем валу установлен радиальный шарикоподшипник с воздушным зазором между наружным кольцом и цилиндрическим отверстием одного из статоров.
Перечень чертежей
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема установки, показывающая положение магнитного подшипника относительно привода. На фиг.2 дан чертеж магнитного подшипника. На фиг.3 показана установка проводящих колец на статорах магнитного подшипника.
Предложенная центробежная установка содержит (фиг.1) корпус 1 с приводом 2, выходной вал 3 которого через гибкое соединение 4 (например, для мощных установок в виде карданного шарнира или вала) соединен с рабочим валом 5 (на котором устанавливается рабочий орган, например ускоритель дробилки) и магнитный подшипник 6 рабочего вала.
Магнитный подшипник 6 содержит (фиг.2) ферромагнитный ротор 7, установленный на рабочем валу на расстоянии R от гибкого соединения и выполненный в виде круглой части сферической оболочки со средним радиусом R, на внешней и внутренней поверхностях которой сделан ряд концентрических выступов 8 и 9, и верхний 10 и нижний 11 ферромагнитные статоры соответственно с вогнутой и выпуклой рабочими сферическими поверхностями, обращенными к ротору, на которых против соответствующих выступов ротора помещены кольцеобразные постоянные магниты 12 и 13, при этом статоры 10 и 11 сочленены с корпусом подвижно в горизонтальных плоскостях через опоры качения 14 и 15 (например, в виде шариков, помещенных в сепараторы) и снабжены амортизаторами 16 и 17 (например, в виде колец из пористого эластомера).
Для демпфирования высокочастотных колебаний рабочего вала на статорах 10 и 11 (фиг.2) между магнитами помещены концентрические кольца 18 (фиг.3) из немагнитного проводящего материала (например, алюминия).
Для предохранения установки от чрезмерных динамических нагрузок, которые приводят к контакту рабочего вала со статорами магнитного подшипника, на рабочем валу 5 (фиг.2) установлен радиальный шарикоподшипник 19 с воздушным зазором между его наружным кольцом и цилиндрическим отверстием одного из статоров (на чертеже показана установка шарикоподшипника в зоне нижнего статора 11).
1
2
1
2
Предложенная центробежная установка работает следующим образом. Если рабочее положение выбрано выходом рабочего вала наверх (как показано на фиг.1), то ротор 7 (фиг.2) устанавливается по отношению к статорам 10 и 11 соответственно с воздушными зазорами δ и δ. При этом соблюдается соотношение δ<δ в такой степени, чтобы выполнялось условие
где Р - вес рабочего органа с обрабатываемым материалом на валу 5,
F1 - сила притяжения ротора магнитами верхнего статора 10,
F2 - сила притяжения ротора магнитами нижнего статора 11.
В этом случае магнитный подшипник компенсирует осевую нагрузку на подшипники привода от рабочего органа с обрабатываемым материалом. Радиальная жесткость магнитного подшипника обусловлена восстанавливающими тангенциальными силами, действующими на выступы 8 и 9 ротора (фиг.2) со стороны магнитов 12 и 13 при условии рассогласования осей ротора и статоров, когда действует возмущающая сила перпендикулярно к рабочему валу. При этом если R>r, где r - радиус ротора (статора) магнитного подшипника, то ширина «а» (фиг.3) магнитных колец выбирается примерно равной
3
где δ - рабочий радиальный зазор магнитного подшипника (между рабочим валом и статором (фиг.2).
Равенство (2) позволяет определить количество n магнитных колец на статорах
p
Несбалансированный рабочий орган с обрабатываемым материалом приводится во вращение от привода 2 (фиг.1) через гибкое соединение 4 с рабочим валом 5. Колебания ротора на резонансной частоте f, равной
p
где G - радиальная жесткость магнитного подшипника,
m - масса рабочего органа с обрабатываемым материалом (если материал загружается предварительно),
демпфируются амортизаторами 16 и 17 (фиг.2), настроенными на реакцию к возмущениям с постоянной времени
3
В зарезонансной рабочей области частот вращения вала установки ось вращения несбалансированного рабочего органа совпадает с осью максимального момента инерции, т.е. не совпадает с осью фигуры этого органа, который вращается с допустимым эксцентриситетом, определяемым величиной δ, принятой при проектировании.
1
2
При использовании предложенной установки с выходом рабочего вала вниз выполняется соотношение δ>δ.
3
Для предотвращения прямого контакта рабочего вала со статором на рабочей скорости вращения (когда превышается заложенная в проекте величина δ), приводящего к явлению обката вала со значительными радиальными (нормальными) силами, кратковременно действующими на вал и способными привести к разрушению установки, применен предохранительный шарикоподшипник 19 (фиг.2), исключающий тангенциальную силу трения вала о статор, вызывающую затем обкат вала.
Применение немагнитных проводящих колец 18 (фиг.3) позволяет демпфировать высокочастотные (нутационные) колебания ротора на рабочей скорости, вызванные ударным воздействием, благодаря замыканию токов, наведенных в них колебаниями ротора.
По сравнению с прототипом ввиду устранения газостатической опоры предложенная центробежная установка отличается простотой конструкции, универсальностью (рабочие положения с верхним и нижним расположением рабочего вала), меньшими энергозатратами при эксплуатации, улучшенной экологической обстановкой в зоне обслуживания, позволяет герметизировать технологический процесс.