Устройство упругой опоры вала и способ регулирования колебаний вала
SHAFT ELASTIC SUPPORT DEVICE AND METHOD OF THE SHAFT OSCILLATIONS CONTROL

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для крепления подшипников как в устройствах с высокооборотными валами, например в турбинах, так и с низкооборотными, например в инкубаторах.
Известен подшипник скольжения SU №1250750, состоящий из корпуса, в котором установлены упругие лепестки с термомеханической памятью, которые при нагреве поджимают вал.
Недостатком устройства является сложность конструкции.
Известна упругая опора ротора турбомашины, патент РФ №2529276, состоящая из статорного элемента, снабженного прорезями, образующими балочки, которые расходятся по спирали и сориентированы в радиальном направлении относительно оси опоры.
Недостатком устройства является то, что концы балочек жестко закреплены в статорном элементе и не позволяют создавать неравномерную жесткость в опоре.
Наиболее близким аналогом является опора вала, а.с. SU №607068, снабженная вибродатчиком и электромагнитным демпфером, позволяющим регулировать колебания вала.
Недостатком способа является сложность устройства и трудоемкость его настройки.
Недостатком известных устройств и способов является невозможность создания на опоре перемещаемых зон жесткости, при помощи которых можно регулировать колебания вала.
Способов и устройств, позволяющих создать на опоре зоны переменной жесткости, не выявлено.
Задачей изобретения является создание устройства и способа крепления вращающегося вала, позволяющего регулировать его колебания за счет создания в опоре вокруг этого вала зон с различной жесткостью.
Техническим результатом изобретения является новое свойство - это возможность регулирования колебаний (амплитуды и частоты) вала путем создания и перемещения в опоре зон жесткости и регулирование степени жесткости зон.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи достигается тем, что стенки опоры разрезают в радиальном, по отношению к валу, направлении, образуя консоли, свободные концы которых формируют отверстие для подшипника. Разрезы могут иметь различную длину и располагаться под некоторым углом по отношению к радиальному направлению. Разрезы могут быть (для увеличения длины консоли) фигурными, например дугообразными или волнистыми. Чем больше длина разреза и больший угол наклона, тем меньше жесткость консолей. Для увеличения жесткости консолей разрезы выполняют в виде полостей, заполненных объемно изменяющимся под внешним воздействием материалом.
На стенках опоры установлены датчики колебаний, а в полостях, заполненных, например, газом или жидкостью установлены нагревательные элементы. Датчики и все нагревательные элементы связаны устройством управления.
Способ уменьшения амплитуды колебаний вала заключается в том, что вокруг него на стенках опоры образуют зоны различной жесткости, которые создаются, например, за счет увеличения или уменьшения давления газов или жидкости в полостях при их нагреве. Каждая зона может формироваться группой из нескольких консолей. При этом зоны повышенной жесткости создают с одной или обеих сторон вала в направлении его колебания. Изменением степени жесткости консолей, которое производится за счет изменения температуры в полостях, добиваются минимизации амплитуды колебаний.
В случае изменения направления этих колебаний направление расположения зон повышенной жесткости также изменяют, добиваясь их совпадения.
На фиг. 1 представлена схема опоры с перемещаемыми зонами переменной жесткости, позволяющая уменьшать амплитуду колебания (вибрации) вала.
На фиг. 2 показано устройство полости опоры.
На фиг. 3 показана схема управления зонами переменной жесткости.
На фиг. 4 изображена опора с фиксированными зонами различной жесткости, способствующая гашению колебаний вала.
На фиг. 5 показана опора с удлиненными пружинами.
На фиг. 6 представлено изображение инкубатора, в редукторе которого для крепления подшипников используется рассматриваемая опора.
Сущность изобретения.
В устройстве, стенки опоры вала разрезаны в радиальном к валу направлении и образуют упругие консоли, свободные концы которых формируют отверстие для подшипника. Консоли могут иметь различные сечения, длину, угол наклона и располагаться в различных сочетаниях, причем разрезы образуют вдоль консолей полости, которые заполняют материалом, оказывающим переменное давление на консоли. В качестве такого материала применяют газ или жидкость, изменяющие свой объем при изменении температуры.
Способ регулирования колебаний вала (амплитуды и частоты) заключается в создании в стенках опоры вокруг вала подвижных зон различной жесткости, реализованных за счет воздействия на консоли изменяющегося в полостях давления газа или жидкости, при изменении ее температуры нагревательными элементами, работающими по командам датчиков колебаний. Перемещение зон повышенной жесткости осуществляется в направлении наибольшей амплитуды колебаний вала.
Устройство содержит (фиг. 1) стенки 1 опоры вала 2, которые разрезаны в радиальном, по отношению к валу, направлении, образуя консоли 3 (фиг. 2, 4, 5), свободные концы которых формируют отверстие для подшипника. Консоли 3 могут иметь различные поперечные сечения, длину (фиг. 4, 5) и располагаться в различных сочетаниях (фиг. 4, 5). Разрезы между консолями образуют полости 4 (фиг. 2) заполненные газом 5 или жидкостью, или другим материалом, объемно изменяющимся под внешним воздействием от температуры, электрического тока, магнитных полей и т.д. На стенках 1 опоры установлены датчики колебаний 6, а в полостях 4 установлены, например, нагревательные элементы 7, связанные между собой устройством управления 8 (фиг. 3).
Уменьшение амплитуды колебаний (вибраций) вала 2, при больших его скоростях вращения (см. фиг. 1), производят созданием с обеих его сторон, в направлении вибрации (показано стрелками), зон повышенной жесткости 9, состоящих из нескольких рядом стоящих консолей 3. Для этого в полостях 4, расположенных вдоль консолей 3, входящих в зоны 9 (показаны штриховкой), при помощи нагревательных элементов 7 разогревают газ 5. Его давление при нагреве повышается, полости 4 расширяются и поджимают консоли 3, увеличивая, таким образом, их жесткость. Совмещение направления вибрации с направлением размещения зон повышенной жесткости 9 производят путем их перемещения вокруг вала 2. Это осуществляют при помощи блока управления 8 за счет последовательного, в направлении перемещения, отключения конечных и включения начальных нагревателей 7 зон 9. Перемещение прекращают фиксацией включенных нагревателей 10 (показаны звездочками) при достижении минимального значения амплитуды колебания, определяемого датчиками 6. Дальнейшее уменьшение амплитуды до минимально возможного осуществляют варьированием степени жесткости зон 9 за счет изменения напряжения на нагревателях 7.
Как простейший вариант реализации опоры, уменьшающей вибрации вала, на фиг. 4 показана опора с тремя фиксированными зонами повышенной жесткости 9, векторы противодействия (наибольшей жесткости) которых расположены под углами 120 градусов. Расположенные между ними зоны пониженной плотности образованы несколькими консолями 3 каждая, а полости 4 между консолями 3 являются обычными разрезами. Поскольку колебание вала можно представить как сумму разнонаправленных колебаний компонентов системы, то зоны жесткости ослабят ту часть из них, направленность колебаний которых совпадет с направленностью их противодействия. В итоге ослабнет и результирующее колебание вала.
При небольших скоростях вращения вала опора вырождается в последовательность консолей 3, равномерно расположенных вокруг отверстия подшипника (фиг. 5). Полости 4 между консолями 3 реализованы как разрезы. Совокупность консолей 3 при этом демпфируют колебания вала 2 и виброизолируют их от стенок 1 опоры.
Такая опора является простым и удобным вариантом крепления шарикоподшипников в листовых материалах. В качестве примера на фиг. 6 изображен инкубатор, в редукторе которого подшипники закреплены в таких опорах. Вал 2 с подшипниками вставляют в круглое отверстие стенки (например, из сухой фанеры) опоры 1, образованное свободными концами консолей 3 (фиг. 5). Поскольку подшипник устанавливается с натягом, то консоли 3, как упругие рычаги (или упругие плоские пружины), центруют и удерживают его от проворачивания. В процессе эксплуатации, во влажной среде инкубатора, древесина разбухает, консоли 3 увеличиваются в размерах и создают вокруг вала 2 круговую зону повышенной жесткости, прочно удерживающую подшипник и демпфирующую его колебания.
Устройство и способ легки в эксплуатации и в изготовлении. В настоящее время оно находится на стадии опытного образца.