Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.3.2.Пассивные АБУ
Принцип этих устройств основан на свойстве гибкого или упруго-опертого ротора вращаться при закритических скоростях «легкой» стороной наружу. Французский инженер Леблан, используя эту закономерность, предложил конструкцию АБУ для балансировки экстрактора стиральной машины. АБУ Леблана [28, 29] было разработано для экстракторов с вертикальной осью вращения, имеющих большой дисбаланс и изменяющийся при работе (рис. 1.2.). Избыток жидкости в АБУ использовался при этом в качестве КМ. Его устройство: в коническом корпусе 1 располагают два ряда отверстий 2 и 3. С корпусом жестко сцепляют две обоймы 4 и 5 для удаления отжимаемой жидкости. Высоту отверстий 2 и наклон корпуса выбирают исходя из того, чтобы на докритических скоростях жидкость попадала во внутреннюю обойму 4 и удалялась из системы не внося дополнительного дисбаланса. Когда система достигает сверхкритической скорости, жидкость начинает через отверстия 3 попадать во внешнюю обойму 5, где она используется для балансировки.
Принцип действия устройства: на скоростях выше критический жидкость через верхний край отверстий начинает поступать во внешнюю обойму, где она перемещается в направлении, наиболее удаленном от оси вращения и дисбаланса, совмещая центр масс системы с осью вращения.
Рис. 1.2. Жидкостное АБУ Леблана
Данное АБУ эффективно только на скоростях выше критических. Балансирующей способностью при этом обладает только слой жидкости, толщина которого не превышает удвоенной величины прогиба. Остальная жидкость в балансировочной обойме ухудшает динамические свойства системы. Для улучшения эффективности АБУ предлагается увеличить количество балансировочных обойм, создавая тем самым многокамерное жидкостное АБУ [102]. Применение устройства целесообразно только на отжимочных машинах с вертикальной осью вращения.
Недостатки данного устройства следующие: работоспособность устройства только для роторов с вертикальной осью вращения; невозможность балансировки на докритических режимах работы; наличие некоторого остаточного дисбаланса; возможность применения только в машинах с избытком жидкости (центрифуги), что затрудняет применение данного устройства для балансировки шпинделей станков.
Для машин, не имеющих избытка жидкости, используемой для балансировки, может применяться устройство подобное АБУ Леблана, в котором балансирующая жидкость заменена легкоплавким материалом [28, 30]. Для этого на балансирующий шпиндель устанавливают специальную закрытую обойму, частично заполненную легкоплавким материалом с большой плотностью. Обойма оборудована системой электроподогрева. Во время вращения шпинделя на малой частоте при появлении вибрации включается система подогрева и материал внутри обоймы расплавляется, принимая жидкое состояние и перетекая в легкую сторону шпинделя. Поскольку обойма с легкоплавким материалом выполнена закрытой, то это АБУ может устанавливаться на шпинделях с произвольной осью вращения. Преимуществом устройства с плавящимся материалом является то, что по окончании рабочего процесса можно выключить подогрев и материал внутри обоймы застынет, зафиксируя шпиндель в уравновешенном состоянии. При повторном включении переход через критическую скорость будет происходить в уравновешенном состоянии.
Недостатком описанного АБУ является его энергоемкость. Необходимо подавать тепловую энергию в балансировочную камеру, что приводит к появлению на шпинделе дополнительных токовырабатывающих и теплопреобразующих устройств. Для определения времени работы устройства в систему необходимо включать датчики замера вибрации и контрольно-считывающее устройства для автоматизации работы.
Совершенствование конструкции АБУ типа Леблана с целью снижения влияния текучести жидкости на докритических оборотах и для применения его на шпинделях с произвольной ориентацией его оси вращения разработаны нижеприведенные конструкции.
АБУ с механической фиксацией балансирующей жидкости имеет узел фиксации жидкости в виде подпружиненного элемента, установленного в обойме с жидкостью и подвижным в осевом направлении [30, 93]. Для повышения надежности устройства узел фиксации взаимодействует с центробежными регуляторами в виде Г-образных рычагов, установленных на торцевой стенке.
Аналогичное устройство, описание которого приведено в работах [11, 93] позволяет повысить надежность разгона шпинделя без разбалансировки путем исключения утечек жидкости на докритических частотах вращения. Узел фиксации (поршень), расположен в центральном резервуаре. Упругие элементы регулируют силу прижатия поршня, выталкиваемого жидкостью при разгоне шпинделя.
АБУ с жидкостью, отвердевающей в электрическом поле. В подобных устройствах в качестве корректирующей массы выступает специальная жидкость, твердеющая в электрическом поле [28, 133]. Ее состав: 55% трансформаторного масла, 40% кварцевого порошка, 5% глицеринового моноолеата. Такая жидкость обладает свойством многократно увеличивать свою вязкость в электрическом поле. При вращении автоматически создается электрическое поле и жидкость приобретает свойства твердого материала. Если дисбаланс шпинделя на скоростях выше критической превышает допустимый, то автоматически через датчики вибрации включается напряжение, появляется электрическое поле и суспензия становится жидкой. Балансировка здесь происходит за счет перетекания суспензии внутри обоймы в более «легкое» место. При снижении вибрации до требуемой величины электроды обесточиваются и суспензия внутри обоймы теряет свойство текучести.
Маятниковое АБУ содержит закрепленные на шпинделе маятники в виде секторов, которые могут свободно проворачиваться вокруг своей оси вращения, совпадающей с осью вращения шпинделя [26]. Расстояние от осей вращения маятников до их центров тяжестей принимается как можно большим для более эффективной компенсации дисбаланса. Фиксаторы удерживают маятники в закрепленном состоянии во время шлифования. При увеличении дисбаланса шлифовального круга с помощью рукоятки фиксаторы освобождают маятники, которые получают возможность вращаться для получения сбалансированного состояния шпинделя.
Маятниковое АБУ может устранять дисбаланс только в одной плоскости. На скоростях выше критической оно уменьшает вибрацию, однако оно недостаточно эффективно, так как его конструкция допускает остаточный дисбаланс, зависящий от конструкции шпинделя [29]. Оно может быть установлено на шпинделях как с вертикальной, так и с горизонтальной осью вращения. Маятники располагаются в разных плоскостях, что добавляет в роторную систему дополнительный моментный дисбаланс, создаваемый АБУ. При этом часть маятников может вращаться на стороне неуравновешенной массы, что уменьшает емкость АБУ и одновременно увеличивает массу роторной системы.
Кольцевое АБУ используется с целью уменьшения радиуса подвески маятников до нуля [29], и может состоять, например, из камеры, заполненной маслом с двумя или более кольцами. Масло служит для демпфирования колебаний колец и разгона их до скорости вращения равной скорости вращения шпинделя. Камера с кольцами устанавливается вблизи центра неуравновешенности. Устройство начинает устранять дисбаланс только на скоростях выше критических, что несомненно является его недостатком. На докритических скоростях кольца увеличивают дисбаланс, ухудшая условия перехода через резонанс. При работе на скоростях выше критической центробежные силы перемещают кольца к легкой части шпинделя. Центр масс системы смещается в сторону оси вращения, что уменьшает общий дисбаланс системы. Возникающие силы трения между кольцами и валом снижают эффективность балансировки. Кроме того, расположение колец в разных плоскостях приводит к появлению дополнительного момента, увеличивающего начальную неуравновешенность шпинделя.
Шаровые АБУ [5, 75, 105, 131, 133 и др.] являются наиболее распространенными, что объясняется их простотой, надежностью и множеством разработанных конструктивных решений [94, 99, 100, 147, 148 и др.]. В устройствах этого типа в качестве корректирующих масс используются твердые тела, выполненные в виде шаров или роликов. Принцип их работы основан на том, что два или более шаров помещаются в заполненную маслом цилиндрическую обойму, установленную концентрично относительно оси шпинделя. Ниже (рис. 1.3.) приведена схема, поясняющая механизм его действия [26].
Внутри шпинделя 1 выполнены расточка и отверстие, которые служат полостью гидроцилиндра и для размещения корректирующих шаров 2. Полость 3 закрывается крышкой 4. Зажимной грибок 5 закреплен на штоке 6, поджатым пружиной 7. В результате действия силы упругости пружины шары прижимаются грибком к торцу шпинделя и вне процесса балансировки остаются неподвижными. Перед балансировкой переднюю опору шпинделя переводят с жесткой на упругую 8. Во время балансировки процесс шлифования останавливают и подачей масла в гидроцилиндр 9 через отверстие 10 в шпинделе освобождают шары, которые в результате вращения шпинделя на сверхкритической частоте вращения устраняют дисбаланс шлифовального круга 11.
Рис. 1.3. Схема АБУ с шаровыми корректирующими массами
Для работы в зоне докритических и критических оборотов предложены различные типы фиксаторов шаров. Существуют устройства, имеющие несколько балансировочных обойм. Достаточно подробно условие устойчивости относительного равновесия КМ, влияние сил трения на точность балансировки и основные уравнения рассмотрены в работах [30, 93, 96, 104, 133, 152 и др.].