НАПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ВАЛА С КОЛЕБАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ
GUIDING DEVICE OF SHAFT WITH OSCILLATORY MOVEMENT

Изобретение относится к направляющему устройству вала с колебательным движением вокруг точки, расположенной на оси вала, причем это устройство может быть использовано, в частности, для придания интенсивной вибрации трубкам, содержащим биологические образцы для дробления образцов посредством стеклянных или керамических микрошариков, содержащихся в трубках с образцами.
Из патента WO 2004/012851, выданного на имя заявителя, известен аппарат, включающий опорную тарелку для трубок, которая смонтирована на конце направляемого вала с колебательным движением на неподвижной опоре, который приводится в движение своим вторым концом, установленным на подшипнике со смещенным центром вращения, находящимся на выходном валу электродвигателя.
Направляющее устройство, описанное в указанном патенте, содержит узел из двух концентрических подшипников, один из которых является самоустанавливающимся подшипником, а второй является шарикоподшипником, при этом самоустанавливающийся подшипник смонтирован на валу и внутри шарикоподшипника, в то время как шарикоподшипник смонтирован между самоустанавливающимся подшипником и неподвижной опорой.
Это известное направляющее устройство является высокоэффективным, в частности скорость вращения выходного вала электродвигателя может находиться в пределах примерно 6500 и 8000 оборотов в минуту в нормальном режиме (то есть образцы в трубках подвергаются ускорениям порядка 600-800 g) и его срок службы превышает несколько тысяч рабочих циклов по 45 секунд каждые две минуты.
В этом известном устройстве самоустанавливающийся подшипник содержит внутреннее цилиндрическое кольцо, насаженное на вал, несущий тарелку и две кольцевые шариковые опоры, расположенные на этом кольце и на наружном кольце со сферической внутренней поверхностью, контактирующей с шариками, которые направляются и удерживаются в двух полуцилиндрических кольцевых выточках на наружной поверхности внутреннего кольца.
Недостатком этого известного устройства является то, что возможно лишь небольшое угловое отклонение вала и тарелки, которое в имеющихся на рынке самоустанавливающихся подшипниках примерно равно 4 градусам в одну и другую сторону от среднего положения, что ограничивает путь трубок, которые несет на себе тарелка. Для увеличения этого пути и, следовательно, ускорения, которому подвергаются находящиеся в трубках образцы, необходимо увеличить расстояние между трубками и осью вала, что увеличивает полезный диаметр тарелки и, следовательно, ее массу и энергию, необходимую для придания ей колебательного движения.
В основе настоящего изобретения лежит задача усовершенствования известного направляющего устройства, в частности увеличения допустимого углового отклонения вала с одной и другой стороны от среднего положения или уменьшения диаметра тарелки.
Для решения этой задачи согласно изобретению предлагается направляющее устройство вала с колебательным движением вокруг центра вращения, расположенного на оси вала, при этом указанное устройство содержит самоустанавливающийся подшипник и шарикоподшипник, смонтированные один внутри другого между валом и неподвижной опорой, и отличается тем, что самоустанавливающийся подшипник содержит шаровой шарнир с выпуклой наружной поверхностью в виде сферического сегмента, образующей внутреннее кольцо самоустанавливающегося подшипника, и две кольцевые шариковые опоры, которые расположены между шаровым шарниром и двумя налагаемыми друг на друга наружными кольцами самоустанавливающегося подшипника и направляются в полуцилиндрических кольцевых выточках или канавках колец.
Такое расположение шарового шарнира между двумя налагаемыми одна на другую кольцевыми шариковыми опорами позволяет увеличить допустимое угловое отклонение шарового шарнира с одной и другой стороны от среднего положения, исключая применение кинематической пары к находящейся на валу тарелке, когда валу сообщается колебательное движение вокруг центра вращения.
Шарики каждой кольцевой шариковой опоры самоустанавливающегося подшипника размещаются в круглых отверстиях цилиндрического сепаратора, монтируемого между шаровым шарниром и наружным цилиндрическим кольцом самоустанавливающегося подшипника.
Предпочтительно, чтобы шаровой шарнир был неподвижно смонтирован на валу, а два налагаемых друг на друга шарикоподшипника были установлены между неподвижной опорой и налагаемыми друг на друга наружными кольцами самоустанавливающегося подшипника.
Предпочтительно также, чтобы наружные кольца самоустанавливающегося подшипника были образованы в этом случае внутренними кольцами шарикоподшипников, окружающих самоустанавливающийся подшипник.
Целесообразно, чтобы оба налагаемых друг на друга наружных кольца самоустанавливающегося подшипника и оба налагаемых друг на друга шарикоподшипника плотно прилегали друг к другу в осевом направлении и были разделены шайбой из упругодеформируемого материала, такого как резина или другого аналогичного материала.
Целесообразно также, чтобы устройство согласно изобретению содержало средства регулирования осевого расстояния между двумя подшипниками и чтобы эти средства регулирования включали в себя, например, гайку, завинченную на неподвижной опоре и опирающуюся на один из подшипников, в то время как другой подшипник опирался бы на неподвижную опору.
Такая компоновка позволяет точно регулировать рабочий зазор шарового шарнира.
После того как регулировка завершена, завинченная на неподвижной опоре гайка соответствующими средствами фиксируется для предотвращения вращения.
Предпочтительно, чтобы была предусмотрена обратная компоновка, при этом самоустанавливающийся подшипник должен быть смонтирован вокруг шарикоподшипника, установленного на валу, и расположен между неподвижной опорой и шарикоподшипником.
В этом случае самоустанавливающийся подшипник вращается вместе с наружным кольцом шарикоподшипника, внутреннее кольцо которого установлено неподвижно на валу. Оба наружных кольца самоустанавливающегося подшипника монтируются неподвижно на неподвижной опоре.
Оба указанных наружных кольца разделены в осевом направлении шайбой из резины или аналогичного материала, и расстояние между ними, определяющее рабочий зазор шарового шарнира, регулируется теми же средствами, что и в первом варианте осуществления, которые включают в себя кольцевую деталь, привинченную на неподвижной опоре и опирающуюся на одно из наружных колец, в то время как другое наружное кольцо опирается на неподвижную опору.
Полезно, чтобы размеры шарового шарнира были больше, чем в первом варианте осуществления, при неизменности принципа действия системы.
Изобретение относится, в частности, но не исключительно, к устройству быстрого вибрирования трубок, содержащих биологические образцы, причем это устройство включает в себя опорную тарелку для трубок, которая смонтирована на одном конце указанного вала, другой конец которого соединен со средствами привода и установлен в подшипнике со смещенным центром вращения, находящимся на выходном валу двигателя.
Предпочтительно, чтобы указанный подшипник со смещенным центром вращения находился на диске, который монтируется в буксе подшипников, установленной на неподвижной опоре, при этом указанный диск должен быть соединен с выходным валом двигателя упругой муфтой.
Чтобы сделать устройство по возможности менее шумным и тем самым устранить причину дискомфорта и усталости, в частности при его использовании в лаборатории, персонал которой выполняет работу, требующую определенной концентрации, между неподвижной опорой и направляющими и приводными средствами указанного вала монтируют средства, поглощающие шум и вибрацию.
Предпочтительно, чтобы средства поглощения шума и вибрации включали в себя кольца из эластомера твердостью по Шору А в пределах от 55 до 85, предпочтительно порядка 70.
Оказалось, что монтаж указанных колец из эластомера между неподвижной опорой и направляющими и приводными средствами вала позволяют снизить уровень шума и вибрации при работе примерно от 5 до 10 дБ, в результате чего устройство создает при работе меньше шума и не является причиной дискомфорта или усталости, мешающих концентрации персонала, работающего в непосредственной близости от устройства.
Целесообразно, чтобы эксцентрик, соединяющий конец вала и средства привода, направлялся в своем движении вращения в подшипнике, находящемся на пластинчатом элементе (platine), который в свою очередь монтируется посредством указанного эластомерного кольца в цилиндрическом пазу неподвижной опоры.
Направляющие средства вала тарелки, состоящие из самоустанавливающегося подшипника и шарикоподшипников, монтируются внутри металлической втулки, которая в свою очередь закреплена в расточке неподвижной детали посредством указанного эластомерного кольца.
Другое эластомерное кольцо установлено между этой неподвижной деталью и неподвижной опорой аппарата.
Целесообразно, чтобы указанные средства поглощения шума и вибраций содержали также средства эластичной подвески верхней части устройства, включающей в себя по меньшей мере средства центрирования и направления вала, на нижней части устройства, включающей в себя неподвижную опору и приводные средства вала.
Целесообразно также, чтобы указанные средства эластичной подвески представляли собой средства типа эластомерных клиньев или прокладок, или типа кабелей, позволяющих демпфировать низко- и среднечастотную вибрацию при пуске или выключении приводного двигателя вала, в то время как указанные эластомерные кольца эффективно демпфируют более высокие частоты, генерируемые при работе в непрерывном режиме.
В целом, указанные эластомерные кольца и указанные средства подвески позволяют в значительной степени снизить шумовой уровень от работающего оборудования, без ущерба точности центрирования и направления вала тарелки и не уменьшая срок службы средств центрирования и направления.
Между устройством и его опорными лапами на основании предусмотрены также средства амортизации типа сайлент-блоков для демпфирования вибраций очень низкой частоты, которые могут возникать при пуске и выключении двигателя.
Ниже изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления с использованием ссылок на сопровождающие чертежи, в числе которых:
Фиг.1 изображает схематический частичный вид в осевом разрезе аппарата быстрого вибрирования трубок, включающего устройство согласно изобретению;
Фиг.2 - схематический вид спереди варианта этого аппарата;
Фиг.3 - вид в увеличенном масштабе и с осевым разрезом верхней части аппарата, изображенного на фиг.2.
Аппарат, показанный на фиг.1, содержит тарелку 10, включающую в себя на своей периферии трубки 12, предназначенные для помещения в них биологических образцов для их дробления посредством стеклянных или керамических микрошариков, при этом тарелка 10 оснащена крышкой 14 для удержания трубок 12, а сама крышка 14 установлена на тарелке 10 за счет углубления в камере 16, образованного центральными частями тарелки 10 и крышки 14, как детально описано в ранее упомянутом патенте WO 2004/012851.
Тарелка 10 закреплена винтом 18 на верхнем конце вала 20, нижний конец которого (не показан) соединен со средствами привода типа описанных в патенте WO 2004/012851, при этом указанные средства включают в себя подшипник со смещенным центром вращения, принимающий нижний конец вала 20 и монтируемый на диске, который приводится во вращение выходным валом электродвигателя, причем сам диск монтируется на указанном выходном валу посредством упругой подвески.
Известным способом указанные средства позволяют привести вал 20 в колебательное движение вокруг центра вращения 22, расположенного на оси 24 вала 20, на пересечении этой оси с осью диска, несущего подшипник со смещенным центром вращения, принимающий нижний конец вала 20.
Направляющие средства вала 20, колеблющиеся вокруг центра вращения 22, установлены на кольцевой опоре 26, которая в свою очередь смонтирована на неподвижной опоре при помощи не показанных на чертеже средств эластичной подвески, которые упоминаются при рассмотрении фиг.2.
Направляющие средства вала 20 включают в себя самоустанавливающийся подшипник, смонтированный на валу 20, и два налагаемых друг на друга шарикоподшипника, смонтированных вокруг самоустанавливающегося подшипника, между ним и кольцевой опорой 26.
Самоустанавливающийся подшипник включает в себя шаровой шарнир 30, насаженный на верхнюю часть вала 20 и удерживаемый с упором на заплечик 32 указанного вала при помощи гайки 34, завинченной на валу и опирающейся на конец шарового шарнира посредством упорной шайбы 36 и тормозной шайбы 38. Тормозная шайба 38 фиксируется для предотвращения вращения вокруг оси 24 вала 20 при помощи предусмотренного на ее внутренней цилиндрической поверхности выступа, входящего в продольную канавку на цилиндрической поверхности вала 20, как показано на чертеже.
Радиальная наружная поверхность шарового шарнира 30 является выпуклой и образует сферический сегмент с углом от центра примерно 90°, на котором симметрично, с одной и с другой стороны от центра вращения 22, расположены две кольцевые шариковые опоры 40, при этом шарики каждой опоры удерживаются цилиндрическим сепаратором 42, имеющим отверстия, в которые заходят в зацепление шарики 40, удерживаемые и направляемые также поверхностью качения, образуемой полуцилиндрической кольцевой выточкой или канавкой 44 на внутренней поверхности цилиндрического кольца 46, которое охватывает соответствующую кольцевую шариковую опору 40. Сепараторы 42 удерживаются в осевом и радиальном направлении в показанном положении посредством шариков 40, которые входят в зацепление в отверстия в сепараторах 42 и в канавки 44.
Кольца 46, образующие наружные кольца самоустанавливающегося подшипника, образуют также внутренние кольца двух шарикоподшипников, которые смонтированы вокруг указанного самоустанавливающегося подшипника, и с этой целью каждый из них на своей наружной цилиндрической поверхности имеет полуцилиндрическую канавку 48, в которую заходят с зацеплением шарики 50 соответствующего шарикоподшипника, включающего в себя наружное кольцо 52, внутренняя цилиндрическая поверхность которого выполнена с полуцилиндрической канавкой 54 для направления и удержания шариков 50.
Наружные кольца 52 шарикоподшипников вставлены внутрь кольцевой опоры 26 и вращаются вместе с ней.
Оба налагаемых друг на друга шарикоподшипника в осевом направлении разделяет небольшой зазор, определяемый тонкой шайбой 58 из упругодеформируемого материала, такого как резина или эластомер, которую помещают между наружными кольцами 52 двух шарикоподшипников.
Наружное кольцо 52 нижнего шарикоподшипника опирается на заплечик на внутренней поверхности кольцевой опоры 26, при этом гайка 60 завинчена на верхней части кольцевой опоры 26 и опирается на наружное кольцо 52 верхнего шарикоподшипника, причем затяжка гайки 60 позволяет регулировать осевое расстояние между двумя шарикоподшипниками и, следовательно, рабочий зазор шарового шарнира.
На практике вначале гайку 60 завинчивают максимально на верхней части кольцевой опоры 26, с тем чтобы по возможности устранить рабочий зазор, стягивая между собой обе кольцевые шариковые опоры 40, которые опираются на шаровой шарнир, а затем гайку 60 немного отпускают, чтобы обеспечить рабочий зазор на шаровом шарнире 30, который может составлять, например, от 0,05 до 0,1 мм, и гайку 60 фиксируют во избежание вращения относительно кольцевой опоры 26 любыми подходящими средствами, например упругой деформацией тонкой краевой зоны указанной гайки.
В качестве варианта оба подшипника монтируют в буксе, которая в верхней части содержит отбортованные выступы, позволяющие поддерживать подшипники в правильном положении взаимного удаления, необходимого для хорошей работы шарового шарнира.
Кроме того, предпочтительно предусмотреть противошумные клинья из эластомера или аналогичного материала в промежутках между металлическими элементами для снижения шума при работе на высоких скоростях.
При работе вал 20 приводится в высокоскоростное колебательное движение вокруг точки 22, но без вращения вокруг своей оси 24, при этом вращение тарелки 10 вокруг указанной оси предотвращают средства, соединяющие тарелку с кольцевой опорой 26 или неподвижной рамой аппарата, известным специалисту способом, например способом, описанным в вышеупомянутом патенте WO 2004/012851.
Высокоскоростное перемещение вала 20 с колебательным движением трансформируется во вращение с высокой скоростью колец 46 относительно шарового шарнира 30, который установлен неподвижно на валу 20, и относительно наружных колец 52 шарикоподшипников, которые установлены неподвижно на кольцевой опоре 26.
Устройство согласно изобретению позволяет увеличить угловое отклонение вала 20 с одной и с другой стороны от среднего положения, при этом указанное угловое отклонение может составлять 8° или более. Это угловое отклонение обусловлено, во-первых, осевым размером шарового шарнира (или размером сферического сегмента по оси вала 20) и, во-вторых, осевым расстоянием между двумя кольцевыми шариковыми опорами 40. Удвоение углового отклонения по сравнению с примером осуществления, описанным в патенте WO 2004/012851, позволяет снизить наполовину наружный диаметр тарелки 10, сохранив неизменным путь перемещения трубок 12 с возвратно-поступательным криволинейным движением и, следовательно, показатели быстрого вибрирования трубок 12 и дробления биологических образцов, содержащихся в трубках.
Уменьшение диаметра тарелки 10 приводит к снижению ее веса и уменьшению энергии, необходимой для привода этой тарелки.
Кроме того, направляющее устройство вала 20 согласно изобретению имеет ряд преимуществ.
В частности, можно использовать обычный, имеющийся на рынке шаровой шарнир 30, и кольцевые канавки 44, в которых направляются опирающиеся на шаровой шарнир 30 шарики 40, для обеспечения механической обработки с «нормальной» точностью порядка микрона во внутренних кольцах стандартных подшипников, имеющихся на рынке.
Следовательно, направляющее устройство согласно изобретению является относительно простым и недорогим. Более того, рабочий зазор шарового шарнира 30 регулируется, что позволяет обеспечить оптимальную работу с обычным шаровым шарниром, точные размеры которого изначально не известны и который не требует исключительно точной механической обработки направляющих канавок 44 шариков 40.
Как было сказано выше, относительное расположение самоустанавливающегося подшипника и шарикоподшипников может быть обратным, то есть когда самоустанавливающийся подшипник находится между неподвижной опорой и установленным на валу 20 шарикоподшипником.
Аппарат, показанный на фиг.2 и 3, также представляет собой аппарат для быстрого вибрирования трубок 12, предназначенных к помещению в них биологических образцов и стеклянных или керамических микрошариков, причем трубки расположены на тарелке 10, снабженной крышкой 14 и монтируемой неподвижно на верхнем конце вала 20, простирающегося в осевом направлении относительно тарелки 10 и крышки 14.
Вал 20 приводится в движение электродвигателем М, расположенным под тарелкой 10 и установленным на неподвижной раме 70.
Нижний конец вала 20 соединен с выходным валом 72 двигателя М посредством эксцентрика 76, содержащего подшипник 74, смонтированный на конце вала 20 и помещенный в цилиндрической полости эксцентрика, который в свою очередь монтируется и направляется в цилиндрической полости пластинчатого элемента 78 посредством подшипника 80. Пластинчатый элемент 78 смонтирован в металлическом кольце 82, закрепленном на неподвижной раме 70 посредством эластомерного кольца 84, которое вставлено между наружной периферией пластинчатого элемента 78 и металлическим кольцом 82 и зафиксировано от осевого перемещения и вращения на металлическом кольце 82 и на пластинчатом элементе 78.
Предпочтительно эластомерное кольцо 84 отлито и вулканизировано in situ или приклеено к пластинчатому элементу 78 и к металлическому кольцу 82. Более того, как показано, на внутренней поверхности металлического кольца 82 может быть образована выступающая кольцевая нервюра, которая входит в сцепление с соответствующей канавкой на эластомерном кольце 84, имеющем в свою очередь на своей внутренней поверхности выступающий кольцевой участок, входящий в сцепление с соответствующей канавкой наружной периферии пластинчатого элемента 78, с тем чтобы увеличить сопротивление его осевому выдергиванию.
Цилиндрическая монтажная полость подшипника 74 в диске 76 смещена по центру и ориентирована наискосок относительно оси выходного вала 72 двигателя М, и оси валов 20 и 72 перекрещиваются в точке 86, образующей центр вращения тарелки 10 и вала 20.
Средства центрирования и направления вала 20 расположены на уровне указанного центра вращения 86 и состоят из самоустанавливающегося подшипника и шарикоподшипников, при том что шаровой шарнир 92 самоустанавливающегося подшипника жестко соединен с валом 20 и взаимодействует с двумя кольцевыми шариковыми опорами 94, находящимися в цилиндрических буксах и смонтированными между шаровым шарниром 92 и двумя наружными цилиндрическими кольцами, налагаемыми друг на друга в осевом направлении, которые в равной мере представляют собой внутренние кольца двух шарикоподшипников 96, налагаемых друг на друга в осевом направлении и разделенных незначительным расстоянием.
Оба шарикоподшипника 96 смонтированы в наружном металлическом кольце 98, которое в свою очередь смонтировано в верхней цилиндрической втулке 100, находящейся на неподвижной детали 102, нижний цилиндрический конец 106 которой зафиксирован в металлической кольцевой опоре 108, схожей с ранее упомянутым металлическим кольцом 82 и соосной с ним.
Эластомерные кольца 110 и 112 установлены соответственно между металлическим кольцом 98, несущим подшипники 96, и втулкой 100 и между нижним концом 106 детали 102 и кольцевой опорой 108. Эти эластомерные кольца 110 и 112 отлиты и вулканизированы in situ или приклеены и, кроме того, они удерживаются в осевом направлении пазовым соединением по нервюрам наружных деталей и в канавках внутренних деталей, с которыми они взаимодействуют, как уже было показано на примере эластомерного кольца 84 монтажа пластинчатого элемента 78.
Основная функция трех эластомерных колец 84, 110 и 112 состоит в том, чтобы не допустить передачу шумов и высокочастотных вибраций между направляющими и приводными средствами тарелки 10, с одной стороны, и неподвижной рамой 70, с другой. Для обеспечения хорошего поглощения шумов и вибраций эти кольца выполнены из эластомера, твердость которого по Шору А находится примерно в пределах от 55 до 85, предпочтительно порядка 70.
Кольцевая опора 108 расположена (фиг.2) на двух параллельных балках 114, соединенных своими концами с рамой 70 при помощи средств 116 эластичной подвески, которые в данном случае представлены кабелями спиральной скрутки, которые как вариант могли бы иметь эластомерные клинья или прокладки. Эти средства 116 эластичной подвески предназначены для демпфирования низко- и среднечастотных вибраций, генерируемых при пуске и выключении двигателя М, когда его частота вращения изменяется примерно от 0 до 7000 оборотов в минуту и наоборот.
Благодаря этому комплекту средств шумовой уровень работающего аппарата снижается по меньшей мере от 5 до 10 дБ, так что работающий аппарат больше не создает дискомфорт для персонала.
Рама 70 аппарата соединена опорными лапами 118 с поверхностью основания посредством средств амортизации типа сайлент-блоков для демпфирования вибраций очень низкой частоты, которые могут возникать при пуске и выключении двигателя М.
Монтаж звукоизолирующих колец 84, 110 и 112 и средств 116 эластичной подвески не сказываются отрицательно на рабочих характеристиках аппарата, который может работать с высокими частотами вращения в пределах 6000 и 8000 оборотов в минуту и центрирующие и направляющие средства которого отличаются очень продолжительным сроком службы.