АВТОБАЛАНСИР ДЛЯ РОТОРА

Область техники
Полезная модель относится к роторной технике, в частности к роторам, использующим устройства автобалансировки, и может найти применение в различных отраслях машиностроения: дробилки и мельницы с роторным рабочим органом, центрифуги, турбины и двигатели.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время известны различные устройства, обеспечивающие автобалансировку ротора и подробно рассмотренные в книге: А.А.Гусаров «Балансировка роторов машин», книга 2, Институт машиноведения им. А.А.Благонравова, М., Наука, 2005, с 205-323. В этих устройствах применяются твердые корректирующие массы, расположенные в специальных полостях - корпусах, прилегающих к ротору, установленному на валу в упругой подшипниковой опоре. В качестве наиболее простых применяют две или три массы в форме колец (с.244-246, кольцевое автобалансирующее устройство). Балансировочные кольца свободно навешены на приводном валу в заполненном маслом корпусе. Такой автобалансир имеет существенные недостатки: необходимо использовать масло в герметичном корпусе для разгона колец до скорости вращения балансируемого ротора, значительно возрастает амплитуда колебаний ротора при прохождении резонансной частоты в момент разгона ротора из-за произвольного контакта колец с корпусом.
Сущность полезной модели
Задача полезной модели заключается в упрощении устройства и исключении дополнительных колебаний ротора при прохождении резонансной частоты в момент разгона ротора. Эта задача решена благодаря тому, что в автобалансире для ротора (рабочего органа) на валу с упругой подшипниковой опорой, содержащем корпус и ряд балансировочных колец, каждое балансировочное кольцо установлено относительно корпуса в упругой радиальной опоре.
Перечень фигур и чертежей
На фиг.1 приведен чертеж предложенного автобалансира с шестью балансировочными кольцами.
На фиг.2 показано балансировочное кольцо, выполненное совместно с радиальной упругой опорой
На фиг.3 представлена автономная радиальная упругая опора.
На фиг.4 приведен пример установки автобалансира на валу с упругой подшипниковой опорой и рабочим органом - ротором.
На фиг.5 представлен типичный график силы, действующей на подшипник вала в процессе непрерывного разгона несбалансированного ротора.
На фиг.6 представлен график нагрузки на подшипник вала без автобалансира.
Автобалансир содержит (фиг.1) корпус 1 (с крышкой одинаковых балансировочных колец, одно из которых обозначение 2. (Число колец как минимум должно быть равно или больше двух, максимальное количество их определяется устойчивостью пластины - кольца при его малой толщине к радиальной нагрузке при контакте с цилиндрической ограничительной поверхностью ОП). Каждое балансировочное кольцо установлено относительно корпуса 1 в упругой радиальной опоре в виде, например, упругого кольца 3, связанного перемычками (на данном чертеже не показаны) с балансировочным кольцом 2 и ступицей 4. Балансировочные кольца установлены в корпусе 1 через разделительные шайбы, одна из которых имеет обозначение 5 (фиг.1, а-б).
Балансировочное кольцо 2, выполненное заодно с упругой опорой в виде упругого кольца 3, связанного тремя перемычками с балансировочным кольцом 2 и тремя другими перемычками - со ступицей 4, представлено в плане на фиг.2. Радиальная упругая опора может быть выполнена также автономно в виде, представленном на фиг.3, где внешние перемычки установлены между упругим кольцом 3 и наружным кольцом 6, которое сочленяется при сборке с балансировочным кольцом. (Следует отметить, что в виде радиальной упругой опоры в некоторых случаях может быть использовано просто кольцо из эластомера).
Пример использования предложенного автобалансира показан на фиг.4, где корпус 1 автобалансира установлен под ротором 7 на вертикальном валу 8 с верхним упругим подшипником 9 и нижним сферическим подпятником 10.
Предложенный автобалансир работает следующим образом. При разгоне несбалансированный рабочий орган - ротор 7 (фиг.4) проходит колебания на резонансной частоте вращения, определяемой массой ротора и жесткостью подшипника 9. Затем колебания вала 8 благодаря одинаковому смещению всех элементарных балансировочных колец исчезают на частоте вращения ротора, определяемой собственной частотой колебаний балансировочного кольца (т.е. его массой и жесткостью). Затем, при продолжении разгона ротора, колебания вала вновь возникают и увеличиваются до контакта отдельных балансировочных колец с поверхностью ОП (фиг.1), после чего при дальнейшем неограниченном увеличении частоты вращения вала его колебания практически прекращаются (происходит автобалансировка ротора) благодаря смещению контактирующих с поверхностью ОП балансировочных колец относительно друг друга. Этот процесс иллюстрируется типичным графиком (фиг.5), полученном в результате компьютерного моделирования, на котором показана зависимость силы, действующей на подшипник 9 (фиг.1) от времени разгона ротора 7. Моделирование произведено для ротора с массой 225 кг и дебалансом 3 мм при жесткости подшипника 2000 н/мм и коэффициенте демпфирования 10 нс/мм и для четырех балансировочных колец, каждое с массой 25 кг и жесткостью 200 н/мм. Ускорение разгона ротора - 1 гц/с. Из графика следует, что при любой скорости вращения вала выше резонансной скорости (14 гц - 840 об/мин) нагрузка на подшипник постоянна и равна 250 н. На фиг.6 представлен график зависимости нагрузки на подшипник от времени разгона ротора без использования описанного автобалансира. В этом случае нагрузка на подшипник составляет 6500 н. Таким образом, при использовании предложенного балансира нагрузка на подшипник в широком диапазоне скорости вращения ротора уменьшается в 6500/250=26 раз.
Балансировочные кольца предложенного автобалансира могут быть изготовлены при использовании штамповки или лазерной резки. При этом предполагается сборка их в корпусе автобалансира с последовательным равномерным угловым смещением для усреднения погрешностей изготовления. Контактирующая ограничительная поверхность ОП (фиг.1) может быть выполнена также конусной для последовательного образования контакта с балансировочными кольцами в процессе разгона ротора.
Предложенный автобалансир отличается простотой конструкции, технологичен в изготовлении, и не вызывает дополнительных колебаний вала на дорезонансной и резонансной частотах вращения.