Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
5.1.АБУ, работающие на основе перераспределения компенсирующих масс внутри балансировочной камеры
Особенностью АБУ, работающих с использованием легкоплавких веществ является необходимость подведения тепловой энергии для реализации процесса балансировки. Тепловую энергию необходимо подавать на шпиндель, вращающийся при закритических оборотах, что вызывает определенные за труднения.
При комплектации шпинделя станка с разрабатываемым АБУ необходимо наличие не только источника тепловой энергии, но и датчика вибрации, с помощью которого можно управлять поступлением тепловой энер гии. Это позволит разработать конструкцию шпинделя, позволяющего автоматически и многократно устранять дисбаланс системы в зависимости от требуе мой точности вращения.
В работе [28] предложено оборудовать балансировочную камеру систе мой электроподогрева, которая вступает в действие при определенном дисбалансе шпинделя. В результате были предложены несколько новых способов и устройств для реализации такого подхода.
Из [121] известно, что для качественной обработки поверхности баланси ровку шпинделя необходимо проводить не реже одного раза в две смены. Учитывая тенденцию к увеличению скоростей обработки материалов шлифовальным кругом следует чаще прибегать к балансировке, которая мо жет осуществляться в перерыве между сменами, либо между операциями, т.е. в то время, когда оборудование простаивает. Эля этого станок комплектуют насосом и двумя емкостями, одна из которых способна нагревать жидкость, помещенную в нее, например с помощью электроэнергии. В момент балансировки шпиндель вращается на рабочих (закритических) оборотах и к месту крепления АБУ на шпиндель подается разо гретая жидкость. При использовании в качестве легкоплавкого вещества сплава Вуда, температура плавления которого равна 68°С, необходимо, чтобы темпе ратура источника тепла была выше этой температуры. После снижения уровня виб рации ниже допустимого срабатывает датчик вибрации и к месту крепления АБУ подается холодная жидкость, что приводит к отвердеванию легкоплавкого вещества. Операция охлаждения нужна для ускорения процесса балансировки. Если время затвердевания не является определяющим, то можно отказаться от дополнительных охлаждающих устройств. В этом случае после расплавления легкоплавкого вещества шпиндель должен вращаться на рабочей частоте вра щения несколько минут до отвердевания легкоплавкого вещества в результате естественного отвода тепла от горячей балансировочной камеры к более холодной окружающей среде. Длительность процесса в таком случае составит от од ной до нескольких минут в зависимости от выбранных параметров АБУ и спе циальных устройств и будет происходить автоматически без вмешательства оператора.
Реализовать данную технологию можно с помощью способа автоматического уравновешивания ротативных систем (патент РФ №2158907[68]),заключающегося в частичном заполнении балансировочного пространства уравновешивающими массами, в качестве которых используют вещества, обладающие начальным свойством текучести, способностью в процессе вращения ротативной системы перемещаться под действием инерционных сил и занимать в области закритического режима работы положение, противоположное неуравновешенной массе ротативной системы и свойством затвердевать до полной их фиксации в балансировочном пространстве. В качестве уравновешивающих масс использу ют вещество, способное после затвердевания восстанавливать свои начальные свойства текучести при подводе энергии и вновь затвердевать до фиксированного состояния в балансировочном пространстве при отводе энергии.
Недостатками этого способа являются: наличие свободной поверхности у уравновешивающих масс в жидкотекучем состоянии, что в процессе балансировки будет приводить к дополнитель ным перегрузкам опор ротора из-за их распле скивания и самопроизвольного переливания; необходимость прогревания всего объема ба лансировочной камеры, что требует значитель ных энергозатрат и увеличивает длительность процесса балансировки; низкая подвижность твердых веществ, т.к. при перемещении их эле ментов они неизбежно будут контактировать как между собой, так и со стенками балансиро вочной камеры, что неизбежно будет ограничи вать их способность под действием инерцион ных сил перемещаться в балансировочном пространстве.
Для их устранения разработан способ (патент РФ №2234068[69]), при реализации которого балансировачную камеру полностью заполняют двухкомпонентной смесью, состоящей из текучей уравновешивающей массы с большой плотно стью и теплоемкостью, например, ртути и фиксирующего эту массу вещества с меньшими плотностью и теплоемкостью, например, пара фина, т.е. фиксирующее вещество должно обла дать способностью неоднократно изменять свое агрегатное состояние при подводе и отводе теп ловой энергии. Если при вращении ротора воз никает дисбаланс (вибрация), то балансировочную камеру разогревают до температуры выше температуры плавления фиксирующего вещест ва (парафина) и начинают вращать ротор с закритической частотой. Уравновешивающие мас сы (ртуть) примут оптимальное расположение внутри балансировочной камеры, что обеспечит сбалансированность системы. После этого каме ру охлаждают, фиксирующее вещество затвер деет, и ротор примет сбалансированное состоя ние. При последующих возникновениях дисба ланса ротора во время его эксплуатации уравно вешивание производят по вышеизложенной схеме. Состав двухкомпонентной смеси подбира ют таким, чтобы ее коэффициент температурно го расширения был не больше коэффициента температурного расширения материала ротора во избежание повреждения балансировочной камеры при ее нагреве.
В качестве одного из рекомендуемых, разработано устройство (патент РФ № 2257558[54]) для гибких шпинделей, работающих в режиме закритических частот (рис. 5.1.).
Рис. 5.1. Схема АБУ, содержащего комплекты пластин рессорного типа
На шпинделе 1 установлена балансировочная камера 2, на внутренних стенках которой смонтированы теплопроизводящие элементы (ТПЭ) в виде комплектов пластин рессорного типа 3, каждая из которых имеет возможность смещаться относительно друг друга благодаря овальным отверстиям под креп ления 4. Все пластины с одного конца жестко связаны с торцевой стенкой ка меры 5 для возможности максимального перемещения второй кромки пластин. Камеру частично заполняют легкоплавким веществом 6. В процессе вращения шпинделя и при появлении дисбаланса на шлифовальном круге в результате его выработки или неточной установки неуравновешенная сила, возникающая в результате вращения несбалансированной массы, изгибает шпиндель, т.е. ось потеряет свою прямолинейную форму. Затем в результате деформации балансировочной камеры и ТПЭ, которые жестко связаны со стенками камеры, возникнут смещения пластин от носительно друг друга и силы трения между ними, что приведет к выделению тепла. Такое АБУ с комплектом ТПЭ будет эффективно уравновешивать шпин дель только в области закритических частот при несинхронной прецессии, т.к. только в этом случае пластины получат возможность смещаться относительно друг друга. После балансировки дисбаланс либо исчезнет, либо уменьшится до минимума и деформации шпинделя с балансировочной камерой станут незначительными. Легкоплавкое вещество под действием естественного отвода тепла затвердеет и зафиксирует шпиндель в сбалансированном состоянии. При появлении повтор ного дисбаланса или перемене частоты вращения устройство автоматически заработает по описанной выше схеме.
Следующее разработанное устройство (патент РФ № 2241215 [51]) содержит ТПЭ, состоящий из короткозамкнутой обмотки и магнита (рис. 5.2.), возбуждающего в обмотке электродвижущую силу при дисбалансе шпинделя. Оно включает в себя: балансировочную камеру 2, частично заполненную легко плавким веществом 1 и расположенную на шпинделе 8. Короткозамкнутая об мотка 4 установлена на балансировочной камере таким образом, чтобы возни кающая тепловая энергия поступала к легкоплавкому веществу, расположенному внутри балансировочной камеры. Для этого сверху на короткозамкнутой обмотке расположен теплоизоляционный материал 3. Источник магнитного по ля 6 крепится на корпусе 7 станка в районе расположения балансировочной камеры. Для свободного поступления электромагнитных волн в район распо ложения короткозамкнутой обмотки стенки балансировочной камеры выполнены из специального материала, обладающего прозрачностью для маг нитных волн.
Рис. 5.2. Схема АБУ, содержащего короткозамкнутую обмотку и магнит
Данное устройство работает следующим образом. При появлении дисба ланса на шлифовальном круге 5, превышающем допустимый, шпиндель под
действием несбалансированных масс начнет колебаться относительно своей оси вращения. Вследствие этого магнитное поле, неподвиж ное относительно корпуса, становится переменным для шпинделя с установленными на нем балансировочной камерой и короткозамкнутой обмоткой. Под действием переменного магнитного поля в короткозамкнутой обмотке появится самовозбуждающаяся ЭДС. Возникающая при этом тепловая энергия поступит в балансировочную камеру и расплавит содержащееся там легкоплавкое веще ство, которое, в свою очередь, под действием центробежных сил займет поло жение, способствующее балансировке шпинделя. Дисбаланс шлифовального круга нейтрализуется полезным дисбалансом легкоплавкого вещества. Шпин дель начнет вращаться около оси, близкой к центральной оси инерции. Вибра ция исчезнет (или уменьшиться до минимума) и подвод теплоты прекратиться. Вращение шпинделя необходимо продолжать до тех пор, пока легкоплавкое вещество не отвердеет за счет естественного теплообмена между балансиро вочной камерой и более холодной окружающей средой.
В разработанном следующем решении тепловая энергия подается на шпиндель посредством светового излучения [46]. Для этого внешнюю часть балансировочной камеры 3, выполняют из материала, обладающе го светопоглощающей способностью и теплопроводностью. В состав АБУ вхо дят излучатель света 1, который размещают в корпусе станка (рис.5.3.). Боковые стенки 2 балансировочной камеры состоят из: внешнего слоя, обладающего прозрачностью для световых волн и имеющего низкий коэффици ент теплопроводности; последующего слоя, выполненного из материала с мак симальным коэффициентом поглощения света; и внутреннего – с высоким ко эффициентом теплопроводности.
Рис. 5.3. Схема АБУ с оптическим подводом теплоты
АБУ включается либо автоматически от сигнала датчика, регистрирующе го уровень вибрации, например, упругой опоры 5, либо вручную оператором. При включении АБУ электрическая энергия подводится к контактам излучате ля. Световые волны, сгенерированные излучателем, поступают на боковые стенки балансировочной камеры. После прохождения ими внешнего слоя и достижения материала с максимальным коэффициентом поглощения света, они преобразуются в тепловую энергию. Последняя проходит через внутренний слой с высоким коэффициентом теплопроводности и подается к легкоплавкому веществу, находящемуся на боковых стенках балансировочной камеры. Под действием тепловой энергии легкоплавкое вещество принимает жидкое состояние, переходит в сторону, противоположную дисбалансу, тем самым устраняет источник дисбаланса (балансирует шлифовальный круг 4). После уменьшения уровня вибрации до допустимой нормы датчик отключает излучатель и подвод тепла в ба лансировочную камеру прекращается. Под действием естествен ного отвода тепла легкоплавкое вещество отвердеет и зафиксирует шпиндель в сбалансированном состоянии.
В балансировочную камеру тепловую энергию можно подавать и с помощью пьезоэлементов, установленных в гнездах подшипниковых опор и подсоединенных к электоронагревательной спирали (патент РФ2189021[55]).
Тепловая энергия может подаваться в балансировочную камеру при использовании устройства, защищенного патентом РФ №2231763[56]. Оно предусматривает установку на валу ротора центробежной муфты, которая за счет центробежных сил, возникающих от вибрации, вызванной дисбалансом ротора при его вращении с рабочей частотой, приводит во вращение предварительно установленный соосно с ротором генератор электрического тока, токопроводы которого замкнуты на электронагревательную спираль, расположенную на внутренних стенках балансировочной камеры (рис.5.4)
Изобретение осуществляется следующим образом. На валу 1 балансировочной камеры 2, частич но заполненной легкоплавким материалом на пример сплавом Вуда, устанавливают центро бежную муфту 4 и соосно с валом - генератор электрического тока 5, например, магнето. Муфту регулируют так, чтобы она приводила во вращение генератор только за счет дополнительных к основным (при сбалансированном роторе) центробежных сил, возникающих от вибрации, вызванной дисбалансом ротора при его вращении с рабочей частотой. Вырабатываемый генератором ток посредством токопроводов 6 замыкают на электронагревательную спираль, которую располагают на внутренних стенках балансировочной камеры. При вращении несбалансированного ротора за счет дополнительных центробежных сил муфта приведет во вращение генератор, вырабатывающий ток, величина которого расплавит легкоплавкий материал уравновешивающей массы. При вращении ротора 8 с закритической, частотой w расплавленный материал, выполняющий функцию уравновешивающей массы, примет из положения 9 оптимальное расположение 10 внутри банансировочной камеры и обеспечит сбалансированность системы. После наступления момента сбалансированности вибрация ротора и дополнительные центробежные силы исчезнут. Часто ту вращения ротора снижают. Муфта отключит генератор, что остановит приток тепловой энергии. За счет естественного рассеивания энергии (температура окружающего воздуха должна быть ниже температуры плавления вещества) температура уравновешивающей массы понизится и она затвердеет, что зафиксирует сбалансированность системы. При последующих возникновениях дисбалансов ротора во время его эксплуатации уравновешивание произойдет автоматически по вышеизложенной схеме.
Рис. 5.4. Схема АБУ с использованием генератора электрического тока
Источником тепла могут быть два полукольца, размещенных в радиальной канавке на наружной поверхности камеры (патент РФ №2231764[57]).
Полукольца изготовленные из намагниченного ферромагнитного сплава и способны перемещаться в радиальном направлении за счет центробежных сил, возникающих от вибрации, вызванной дисбалансом ротора при его вращении, на расстояние, достаточное для наступления контакта с предварительно установленным вокруг камеры защитным кожухом, и возвращаться в исходное положение после прекращения действия центробежных сил, вызванных вибрацией, за счет магнитного поля полуколец, при этом балансировочную камеру и кожух выполняют из немагнитнoroматериала.
Рис. 5.5. Схема АБУ с использованием сил трения
Изобретение (см. рис. 5.5) осуществляется следующим образом.
На наружной поверхности 1 балансировочной камеры 2, размещенной в кожухе 3 и частично заполненной легкоплавким материалом, например сплавом Вуда, выполняют радиальную канавку 4 в которой размещают два полукольца 5, изготовленных из намагниченного ферромагнитного сплава. Кольца крепятся в канавке таким образом, чтобы они имели возможность свободно перемещаться относительно камеры только в радиальном направлении. Для этого в них выполняют соответствующие отверстия 7, через которые устанавливаю ограничивающие перемещения шпильки 8. Расстояния, на которые могуг перемещаться полукольца, должны быть достаточными для возникновения контакта с невращающимся защитным кожухом камеры. Полукольца намагничивают так и изготавливают такими размерами, чтобы в исходном состоянии (позиция I ), т.е. при отсутствии вращения или дисбаланса ротора они были плотно прижаты друг к другу по своим торцам 9 и к внутренней поверхности канавки 10 за счет сил магнитного поля. Балансировочную камеру и кожух для исключе ния их влияния на перемещения полуколец вы полняют из немагнитного материала, например, из цветного металла.
При вращении несбалансированного ротора 6 со скоростью w, за счет дополнительных центробежных сил кольца начнут перемещаться в радиальном на правлении до возникновения контакта с защит ным (неподвижным) кожухом (позиция II). Возникшие силы трения Fтр разогреют кольца, а через них расплавят материал уравновешивающей массы. При вращении ротора с закритической частотой расплавленный материал, вы полняющий функцию уравновешивающей мас сы, примет оптимальное расположение внутри балансировочной камеры и обеспечит сбаланси рованность системы. После наступления момен та сбалансированности вибрация ротора и до полнительные центробежные силы исчезнут. Частоту вращения ротора снижают и полуколь ца за счет магнитных сил вернутся в исходное положение, что остановит приток тепловой энергии. За счет естественного рассеивания энергии (температура окружающего воздуха должна быть ниже температуры плавления ве щества) температура уравновешивающей массы понизится и она затвердеет, что зафиксирует сбалансированность системы. При последующих возникновениях дисба лансов ротора во время его эксплуатации уравновешивание произойдет автоматически по вы шеизложенной схеме.
В качестве устройства, подающего тепло в балансировачную камеру, может служить обычная подпружиненная кнопка при помощи которой в течение времени ее нажатия обеспе чивают контакт накладки, изготовленной из ма териала с большим коэффициентом трения и установленной на конце штока кнопки, с торце вой стенкой камеры для обеспечения нагрева последней с целью расплавления отвердевающего материала внутри балансировочной камеры (патент РФ №2234067[58]).
Изобретение (см. рис. 5.6) осуществляется следующим образом.
Рис. 5.6. Схема АБУ с использованием сил трения
На опоре 1 балансировочной камеры 2 устанавливают подпружиненную кнопку 3 и пружину 4, на конце штока 5 которой крепят накладку 6, изготовленную из материала с большим коэффициентом трения. Место уста новки и длину штока кнопки выбирают такими, чтобы при ее нажатии (например, пальцем) воз никал контакт накладки с торцевой стенкой ка меры. При возникновении вибрации, т.е. дисбаланса вращающегося с рабочей частотой ротора 7, кнопку нажимают. Возникает контакт накладок 6 с торцевой стенкой камеры 8 и появляются силы трения. Возникшие силы трения разогреют на кладку и торцевую стенку балансировочной ка меры. Появившийся источник тепловой энергии расплавит легкоплавкий материал уравновеши вающей массы 9. При вращении ротора с закритической частотой w расплавленный материал, вы полняющий функцию уравновешивающей мас сы, примет из положения 10 оптимальное расположение внутри балансировочной камеры положение 11 и обеспечит сбаланси рованность системы. После наступления момен та сбалансированности вибрация ротора прекра тится и кнопку отпускают. За счет пружины 3 кнопка вернется в исходное положение и кон такт накладки с торцевой стенкой исчезнет, что остановит приток тепловой энергии. За счет ес тественного рассеивания энергии (температура окружающего воздуха должна быть ниже тем пературы плавления вещества) температура уравновешивающей массы понизится и она затвердеет, что зафиксирует сбалансированность системы. При последующих возникновениях дисба лансов ротора во время его эксплуатации уравновешивание повторяют по выше изложенной схеме.
К аналогичному можно отнести разработанное устройство, защищенное патентом РФ №2231766[59]. Принцип его работы заключается в том что на опорах балансировочной камеры при по мощи кронштейнов устанавливают биметалли ческие пластины, на концах которых через про кладки из теплоизоляционного материала кре пят накладки из материала с большим коэффи циентом трения, при этом высоту кронштейна выбирают такой, чтобы при температурных деформациях пластин от дополнительного разо грева опор при вибрации ротора накладки каса лись торцевой стенки камеры.
Изобретение (см. рис. 5.7) осуществляется следующим образом.
На опорах 1 балансировочной камеры 2 при помощи кронштейнов 3 изготовленных из теплопроводящего материала, устанавливают биметаллические пластины 4. На их концах крепят сначала прокладки 5 из теплоизоляционного ма териала, а уже к ним тормозные колодки, т.е. накладки 6 из материала с большим коэффициен том трения. Высоту кронштейна выбирают та кой, чтобы при температурных деформациях пластин от дополнительного разогрева опор при вибрации ротора накладки касались торцевой стенки камеры.
Рис. 5.7.Схема АБУ с использованием сил трения
При вращении сбалансированного ротора 7 будет происходить основной разогрев опор ка меры. Пластинки сдеформируются, но контакта между накладками 6 и торцевой стенкой 8 не долж но возникать (позиция I). Этого достигают соответствую щим выбором высоты кронштейнов. При вращении несбалансированного рото ра возникнет вибрация, дополнительный разо грев опор и дополнительные температурные деформации пластин, которые приведут к кон такту накладок с торцевой стенкой камеры и появлению сил трения (позиция II). Возникшие силы трения разогреют только накладки и торцевую стенку балансировочной камеры, т.к. пластины изолированы от накладок теплоизоляционными прокладками. Таким образом, выделение тепла за счет возникших сил трения не будет увеличивать температурные деформации пластин. Появившиеся источники тепловой энергии расплавят легкоплавкий мате риал уравновешивающей массы 9. При вращении ротора с закритической частотой w расплавленный материал, выполняющий функцию уравновеши вающей массы, из положения 10 примет оптимальное расположение 11 внутри балансировочной камеры и обес печит сбалансированность системы. После на ступления момента сбалансированности вибра ция ротора и дополнительный разогрев его опор прекратятся. Деформации пластин уменьшатся и контакт накладок с торцевой стенкой исчезнет, что остановит приток тепловой энергии. За счет естественного рассеивания энергии (температу ра окружающего воздуха должна быть ниже температуры плавления вещества) температура уравновешивающей массы понизится и она за твердеет, что зафиксирует сбалансированность системы. При последующих возникновениях дисба лансов ротора во время его эксплуатации урав новешивание произойдет автоматически по вы шеизложенной схеме.
Источником тепла может быть устройство, способное улавливать световую энергию, преобразовывать ее в тепловую и передавать ее легкоплавкому веществу (патент РФ №2292535[60]).
Изобретение (см. рис. 5.8) осуществляется следующим образом.
Рис. 5.8. Схема АБУ с использованием световой энергии
Балансировочная камера 2 цилиндрической формы установлена на роторе 1. Она частично заполнена легкоплавким веществом 3, в качестве которого может быть использовано любое вещество, способное расплавляться и принимать жидкое состояние при подводе теплоты и отвердевать при ее отводе. Внешняя часть 4 балансировочной камеры выполнена из материала, обладающего светопоглощающей способностью 5 и теплопроводностью 6. В качестве источника световых лучей используют излучатель 9, способный генерировать световые лучи и направлять их на балансировочную камеру. В составе конструкции имеется датчик вибрации опор 7, который управляет работой излучателя. При вращении ротора на закритической скорости вибрация ротора передается на его опоры и датчик снимает уровень вибрации. При ее недопустимом уровне этот сигнал передается на командное устройство, которое, в свою очередь, включает излучатель. На внешнюю сторону балансировочной камеры поступают световые лучи, которые посредством светопоглощающей поверхности 5 балансировочной камеры преобразуются в тепловую энергию. Стенки балансировочной камеры имеют составную конструкцию для передачи подавляющей части тепловой энергии вовнутрь к легкоплавкому веществу. Под действием тепла легкоплавкое вещество начинает расплавляться и меняет свое агрегатное состояние с твердого на жидкое. Под действием центробежных сил на закритических оборотах вращения ротора массы легкоплавкого вещества начинают переходить на более «легкую» сторону ротора и таким образом балансируют ротор. При вращении сбалансированного ротора уровень вибрации опор снижается и командное устройство 8 отключает излучатель. Затем в процессе вращения легкоплавкое вещество отвердевает в результате естественного теплоотвода энергии и ротор фиксируется в сбалансированном состоянии. При возникновении по разным причинам повторного дисбаланса устройство автоматически балансирует ротор по описанной выше схеме.
Для изменения агрегатного легкоплавкого вещества можно использовать источник теплоты который выполнен из легкодеформируемого токопроводящего вещества, нанесенного на внутреннюю боковую поверхность балансировочной камеру выполненной из диэлектрического материала (патент РФ №2256892[61]).На боковых стенках камеры установлены два кольца из токопроводящего материала, которые подключены к источнику импульсов электрического тока и контактируют с веществом.
Изобретение (см. рис. 5.9) осуществляется следующим образом.
Балансировочную камеру 2 частично заполняют уравновешивающей массой, в качестве которой используют легкоплавкие, легкодеформируемые (с малым модулем упругости) и токопроводящие вещества 3, способные неоднократно изменять свое агрегатное состояние при подводе и отводе теплоты, например сплав Вуда. При подводе теплоты вещества приобретают жидкое состояние и, вследствие этого – способность под действием инерционных сил перемещаться в балансировочном пространстве. Балансировочную камеру выполняют из диэлектрического материала, при этом на боковых стенках камеры 4 устанавливают два кольца 5 из токопроводящего материала, которые через токопроводящие элементы (например, щетки 6 с проводами 7), подключены к источнику импульсов электрического тока 8. На внутреннюю поверхность балансировочной камеры наносят уравновешивающее вещество, например, путем его напыления. При возникновении дисбаланса в процессе эксплуатации ротора 1 для его устранения ротор разгоняют до таких закритических угловых скоростей, при которых за счет центробежных сил инерции в веществе начнут возникать пластические деформации, которые, в свою очередь, приведут к выделению тепла. Для увеличения его количества с целью повышения эффективности процесса
Рис. 5.9. Схема АБУ с использованием импульсов электрического тока
балансировки ротора при помощи предварительно установленных на балансировочной камере токопроводящих элементов включают источник импульсов электрического тока, который, благодаря диэлектрическим свойствам материала балансировочной камеры, будет проходить только через вещество. Это приведет к увеличению пластических деформаций вещества и соответствующему увеличению выделяемого тепла. Нагрев легкоплавкой уравновешивающей массы вызовет ее расплав и, вследствие этого, ее способность перемещаться в балансировочном пространстве. Затем угловую скорость ротора уменьшают до критической w и отключают источник импульсов электрического тока. Деформации вещества перестают расти и источник теплоты исчезает. За счет теплообмена с окружающей средой уравновешивающая масса затвердеет (температура затвердевания легкоплавкого вещества должна быть выше емпературы окружающей среды) и вещество из положения 9 зафиксируется в сбалансированном состоянии 10. После этого ротор станет пригодным к эксплуатации на любых рабочих частотах вращения. Если же при дальнейшей его эксплуатации повторно возникнет дисбаланс, то для его устранения поступают по вышеописанной схеме.
Тепло в балансировочную камеру можно подавать посредством использования центробежных сил инерции (патент РФ № 2231767[62]). Для этого на наружной поверхности камеры радиально устанавливают подпружиненное кольцо, способное переме щаться в радиальном направлении за счет центробежных сил, возникающих от вибрации при вращении и наличии дисбаланса ротора, на рас стояние, достаточное для наступления контакта с предварительно установленным вокруг камеры защитным кожухом, и возвращаться в исходное положение после прекращения действия центробежных сил за счет сил упругости поддер живающих его пружин.
Изобретение (см. рис. 5.10) осуществляется следующим образом.
На наружной поверхности 1 балансировоч ной камеры 2, размещенной в кожухе 3 и частично заполненной легкоплавким материалом, напри мер сплавом Вуда, устанавливают подпружи ненное кольцо 5, способное перемещаться отно сительно камеры только в радиальном направ лении. Расстояние, на которое может переме щаться кольцо, и жесткость (силы упругости) пружин должны быть достаточными для воз никновения его контакта с кожухом камеры. При вращении несбалансированного ротора 6 за счет дополнительных (от вибрации) центробежных сил инерции кольцо из исходного положения ( позиция I) начнет перемещаться в радиальном на правлении до возникновения контакта с кожу хом ( позиция I I). Возникшие силы тренияFтр разогреют кольцо и через него расплавят легкоплавкий материал уравновешивающей массы 7. При вращении ротора с закритической частотой wрасплавленный материал, выполняющий функцию уравновеши вающей массы, примет из положения 8 оптимальное расположение 9 внутри балансировочной камеры и обес печит сбалансированность системы. После на ступления момента сбалансированности вибра ция ротора и дополнительные центробежные силы исчезнут. Кольцо за счет сил упругости вернется в исходное положение, что остановит приток тепловой энергии. За счет естественного рассеивания энергии (температура окружающего воздуха должна быть ниже температуры плавления вещества) температура уравновешивающей массы пони зится и она затвердеет, что зафиксирует сбалан сированность системы. При последующих возникновениях дисба лансов ротора во время его эксплуатации урав новешивание произойдет автоматически по вы шеизложенной схеме.
Рис. 5.10.Схема АБУ с использованием центробежных сил инерции
Изменить агрегатное состояние легкоплавкого вещества можно и за счет использования в конструкции балансировачной камеры ферромагнитных материалов (патент РФ №2231765[63]).
Изобретение (см. рис. 5.11) осуществляется следующим образом.
Рис. 5.11. Схема АБУ с использованием ферромагнитных материалов
Балансировочную камеру 1 выполняют в виде полого цилиндра, расположенного внутри рото ра, и размещают внутри неподвижного (защит ного) кожуха 2, изготовленного из намагниченно го ферромагнитного материала. Балансировоч ную камеру частично заполняют отвердеваю щим материалом из легкоплавкого вещества с большим удельным весом, например сплавом Вуда. На наружную поверхность 3 балансировоч ной камеры 1 наматывают обмотку 4, концы которой соединяют с механическим прерывателем 5, установленным на камере и способным автома тически замыкать обмотку 4 при возникновении дисбаланса, т.е. вибрации, и размыкать после уравновешивания ротора 6.
Если при вращении ротора возникнет дис баланс, то от вибрации прерыватель замкнет обмотку. Вращение короткозамкнутой обмотки в постоянном магнитном поле, создаваемом ко жухом, приведет к генерации в ней электриче ского тока. Обмотка разогреется, что вызовет расплав отвердевающего материала и приобре тение им текучести. После этого ротор начинают вращать с закритической частотой w. Расплав ленный материал, выполняющий функцию уравновешивающей массы, примет оптимальное расположение внутри балансировочной полости и обеспечит сбалансированность системы. По сле наступления момента сбалансированности вибрация ротора прекратится, прерыватель ра зомкнет обмотку и соответственно прекратится поступление тепловой энергии в балансировоч ную камеру. Материал уравновешивающей массы затвердевает и ротативная система примет сбалансированное состояние, т.е. уравновешивающая масса 7 из положения 8 переместится в оптимальное положении 9. При повторном возникновении дисбаланса ротора при его экс плуатации уравновешивание вновь производят по выше изложенной схеме.
Перевести легкоплавкое вещество в жидкое состояние можно путем использования диссипативных источников тепла возникающих в веществе при его пластических деформациях под действием центробежных сил, появляющихся при вращении ротора (патент РФ № 2244278[64]).
Изобретение осуществляется следующим образом.
Балансировочное пространство частично заполняют уравновешивающей массой, в качестве которой используют легкоплавкие и легкодеформируемые (с малым модулем упругости) вещества, способные неоднократно изменять свое агрегатное состояние при подводе и отводе теплоты. При подводе теплоты вещества приобретают жидкое состояние и вследствие этого способность под действием инерционных сил перемещаться в балансировочном пространстве. При возникновении дисбаланса в процессе эксплуатации ротора для его устранения ротор разгоняют до таких закритических угловых скоростей, при которых за счет центробежных сил инерции в веществе начнут возникать пластические деформации, которые, в свою очередь, приведут к выделению тепла. Нагрев легкоплавкой уравновешивающей массы вызовет ее расплав и вследствие этого ее способность перемещаться в балансировочном пространстве. Затем угловую скорость ротора уменьшают до критической. Деформации вещества перестают расти и источник теплоты исчезает, уравновешивающая масса затвердевает и ротор зафиксируется в сбалансированном состоянии. После этого ротор становится пригоден к эксплуатации на любых рабочих частотах вращения. Если же в дальнейшей его эксплуатации повторно возникает дисбаланс, то для его автоматического устранения поступают по вышеизложенной схеме.
Для изменения агрегатного состояния легкоплавкого вещества можно использовать пьезоэлементы, которые устанавливают внутри балансировочной камеры на валу ротора, выполненного из токопроводящего материала, при этом вал устанавливают в вертикальном положении, а элементы располагают на уровне выше уровня отвердевающего материала (патент РФ № 2265814[65]).
Изобретение (см. рис. 5.12) осуществляется следующим образом.
Рис. 5.12. Схема АБУ с использованием пьезоэлементов
Балансировочную камеру 2 выполняют в виде полого цилиндра, расположенного внутри ротора, и размещают на его валу 1, при этом вал выполняют из токо-теплопроводящего материала и устанавливают в вертикальном положении. На валу ротора внутри балансировочной камеры, опирающейся на опоры, устанавливают пьезоэлементы 3, контакты которых замыкают на вал ротора. Балансировочную камеру частично заполняют отвердевающим материалом из легкоплавкого вещества с большим удельным весом, например сплавом Вуда. Если при вращении ротора 4 возникает дисбаланс, то вибрация, передаваемая через вал ротора на пьезоэлементы, приводит к деформации последних и соответствующему возбуждению электрического тока. Для обеспечения деформирования пьезоэлементов при застывшем материале их располагают на уровне выше уровня отвердевающего материала. Замкнутость контактов пьезоэлементов на вал ротора вызовет его разогрев и расплав отвердевающего материала и приобретение вследствие этого текучести последним. При вращении ротора с закритической частотой w расплавленный материал, выполняющий функцию уравновешивающей массы, примет из положения 6 оптимальное расположение 7 внутри балансировочной камеры и обеспечит сбалансированность системы. После наступления момента сбалансированности вибрация ротора прекратится и, соответственно, прекратится поступление тепловой энергии в балансировочную камеру. Материал уравновешивающей массы затвердевает и ротативная система примет сбалансированное состояние. При повторном возникновении дисбаланса ротора во время его эксплуатации уравновешивание произойдет автоматически по выше изложенной схеме.
Одним из примеров использования вышеописанных АБУ может быть устройство для многократной автоматической балансировки автомобильных колес (патент РФ № 2239110[66]).
Изобретение (см. рис. 5.13) осуществляется следующим образом.
Рис. 5.13. Пример использования разработанных АБУ
В ободе колеса 1 выполняют кольцевую ка меру 2 в виде полости такой геометрической формы, чтобы обеспечивалась возможность балансировочной жидкости, частично заполняю щей эту камеру, под действием центробежных сил перемещаться как в осевом, так и радиаль ном направлениях относительно обода колеса. Затем камеру частично заполняют отвердеваю щим материалом 3, в качестве которого исполь зуют легкоплавкое вещество, например сплав Вуда. Масса отвердевающего материала, поме щенного в камеру, должна быть достаточной для устранения максимально возможного уров ня дисбаланса колеса, который может возник нуть при его эксплуатации (уровень определяет ся либо расчетом, либо на основе данных стати стики). Для обеспечения возможности автома тического разогрева отвердевающего вещества на ободе колеса при помощи регулировочного болта 4 и пружины 5 устанавливают элемент 6, способный перемещаться в осевом и радиальном направлениях при возникновении дисбалансов колеса в соответствующих направлениях и при этом контактировать с накладкой 7, жестко закре пленной на корпусе автомобиля 8. После этого с помощью регулировочного болта элемент прижимают к ободу, обод колеса разогревают до температуры выше тем пературы плавления сплава Вуда, т.е. до t>60°C, и балансируют на стенде в горизонтальном по ложении по известной технологии. После уста новки балансировочных грузов колесо продол жают вращать с его рабочей частотой, одновре менно охлаждая обод колеса до t<60°C, После охлаждения обода вращение колеса прекраща ют. Затем регулировочным болтом уменьшают натяжение пружины до минимального, но дос таточного для удержания элемента в прижатом к ободу положении при максимальной частоте вращения колеса, соответствующей максимальной скорости автомобиля. После этого отбалансированное колесо устанавливают на штатное место. Если в процессе эксплуатации автомобиля возникнет дисбаланс (появится вибрация коле са), то его устранение произойдет автоматиче ски. Для этого автомобиль на ровном участке дороги разгоняют до максимальной скорости. Элемент за счет дополнительных центробежных сил, возникающих при вибрации колеса, начнет смещаться и контактировать с накладкой. От этого контакта возникнут силы трения, которые разогреют обод и тем самым расплавят легко плавкий сплав. Уравновешивающие массы (сплав Вуда) примут в камере из положения 9 оптимальное положение 10 и вибрация прекратится. После устра нения дисбаланса элемент при помощи пружи ны вернется в исходное положение и силы тре ния исчезнут. За счет естественного теплообме на обод остынет и уравновешивающие массы зафиксируются в кольцевой камере, т.е. колесо автоматически отбалансируется. При после дующих возникновениях дисбаланса процесс балансировки повторится аналогично по выше изложенной схеме.
С целью упрощения конструкции АБУ и повышения его надежности разработано балансирующее устройство с гибким элементом. (патент РФ № 2238530[70]).
Изобретение (см. рис. 5.14) осуществляется следующим образом.
Рис. 5.14. Схема АБУ с гибким элементом
На валу ротора 1 между его опорами 2 изго тавливают гибкий участок 3, например в виде стального троса. На гибкий участок надевают гибкую оплетку 4 (оболочку), например из рези ны диаметром больше диаметра троса. Торцы оплетки 5, т.е. ее концевые участки, герметично крепят на жестких участках вала 1, которые раз мещают в опорах ротора. При этом, например, нижний жесткий участок вала 6 выполняют в виде шайб 7 неподвижным в осевом направлении вала, а верх ний жесткий участок 8 размещают в подшипнике скольжения 9, допускающем его осевое переме щение. После этого пространство 10 между гибким участком вала и оплеткой частично заполняют фиксирующими веществами, обладающими свойствами начальной текучести и затвердевать после добавления в них катализаторов. В каче стве таких веществ можно использовать пласт массы, получаемые при холодном отверждении на основе модификаций кремнийорганических, эпоксидных и других полимеров с различными наполнителями.
После частичного заполнения пространст ва фиксирующими веществами в него добавля ют катализатор в объеме, достаточном для пол ного его заполнения и желательного времени прохождения химической реакции (времени от верждения). Затем подготовленный таким обра зом ротор приводят во вращение с частотой w возрастающей до закритического режима. За счет динамических и сил трения произойдет перемешивание исходных компонентов. Гибкий участок вала ротора, выполняющий функцию уравновешивающей массы, за счет своих податливости и сил инерции из положения I примет такую форму, при которой обеспечится сбалансированность ротора (положение II) Возможность обеспечения изгибных деформаций гибкого участка вала предоставит верхний жесткий участок ротора. Поддержание закритической частоты вра щения ротора сохраняют до момента заверше ния реакции отверждения фиксирующих ве ществ. На этом процесс динамической баланси ровки ротора прекращается.
На малогабаритных роторах может быть использовано комплнксное АБУ (патент РФ № 2244277[71]).
Изобретение (см. рис. 5.15) осуществляется следующим образом.
Рис. 5.15. Схема компактного АБУ
На вал ротора 1 надевают уравновешивающую массу в виде массивного кольца, внутренний диаметр которого должен быть больше диаметра вала, а его габариты и масса достаточными для устранения максимально возможного дисбаланса, который может возникнуть в процессе эксплуатации ротора. Кольцо крепят к валу ротора при помощи пружин З, податливость которых должна обеспечивать кольцу способность перемещаться относительно вала ротора и занимать такое угловое и радиальное положения, которые пространственно противоположны неуравновешенной массе ротора и оптимальны с точки зрения устранения дисбаланса при его закритической частоте вращения. Пружины размещают внутри кольцевой камеры 4 стенки которой 5 герметично соединяют с внутренней поверхностью кольца 6, валом ротора и выполнены из эластичного материала, например резины. Полость камеры заполняют отвердевающим материалом, способным неоднократно изменять свое агрегатное состояние при подводе и отводе теплоты, например парафином.
При возникновении дисбаланса (появлении вибрации) кольцевую камеру внешним источником тепла нагревают до температуры плавления парафина и ротор начинают вращать с закритической частотой w. Благодаря податливости пружин уравновешивающаяся масса (массивное кольцо) займет оптимальное положение II и дисбаланс исчезнет, при этом стенки кольцевой камеры соответствующим образом сдеформируются а затвердевающий материал перераспределится внутри камеры. Сохраняя обороты закритическими, кольцевую камеру начинают охлаждать до температуры ниже температуры плавления парафина. Отвердевающий материал (парафин) зафиксирует пружины и расположение балансировочной массы, т.е. массивного кольца, что обеспечит стабилизацию динамической системы при рабочей частоте вращения ротора. При возникновении необходимости повторной балансировки ротора ее повторяют по вышеизложенной схеме.
Для упрощения процесса подвода теплоты в балансировочную камеру роторов можно использовать канал, выполненный внутри вала и способный пропускать через себя теплоноситель (Положительное решение по заявке №2006133771/28, G 01 M 1/32 [72]).