Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
5.2.АБУ, работающие по принципу совмещения ГЦОИ с осью вращения
Данные АБУ работают по принципу совмещения оси вращения баланси руемого шпинделя с его ГЦОИ без перераспределения масс внутри него. Данный способ реализуется путем установки между шпинделем и его опорным под шипником балансирующей опоры (камеры), которая позволяет автоматически и многократно балансировать шпиндель. Дисбаланс для жесткого шпинделя уст раняется полностью, а для гибкого - частично, так как данная балансировка эк вивалентна установке балансирующих грузов по трапециидальному закону.
Одним из разработанных решений (патент РФ №2241214, подробнее см. [51]), реализующих данный принцип, является предложенное АБУ содержащее балансировочную камеру, полностью заполненную легкоплавким вещест вом (рис. 5.16). Принцип его работы заключается в том, что на шпиндель 1 устанавливают балансировочную камеру 2. Внутреннюю часть балансировочной камеры полностью заполняют легкоплавким веществом 3. Упругая мембрана 4 соприкасается с передаточным кольцом 5 и своей площадью контактирует со стенками балансировочной камеры. Воздушный зазор 6 обеспечивает возможность мембране совершать вертикальные колебания. При помощи прокладки 7 с низкой теплопроводностью обеспечивается тепловая изоляция мембраны. Передаточное кольцо связано с подшипником 8, который крепится к корпусу металлообрабатывающего станка 9.
При появлении дисбаланса на шлифовальном круге возрастут его вибрация и динамические нагрузки на подшипники. Упругая мембрана начнет изгибаться и под действием знакопеременных нагрузок станет выделять тепловую энергию, которая благодаря разработанной конструкции будет поступать к лег коплавкому веществу. Под действием тепла легкоплавкое вещество распла виться и упругие стенки балансировочной камеры получат две степени свободы для перемещения в плоскости перпендикулярной оси шпинделя. Балансировоч ная камера будет деформироваться под действием центробежных сил так, что бы свести дисбаланс шпинделя к минимуму. С исчезновением дисбаланса резко уменьшится вибрация и прекратиться приток тепла к легкоплавкому веществу, которое за счет теплообмена с окружающей средой отвердеет и зафиксирует шпиндель в сбалансированном состоянии. При нарушении сбалансированности шпинделя дисбаланс автоматически и многократно устранится по описанной выше схеме.
Рис. 5.16. Схема АБУ, содержащего упругую мембрану
Очередной вариант разработанного АБУ (патент РФ № 2241213 [49]) содержит кольцевой пьезоэлемент (рис. 5.17), концы которого замк нуты через сопротивление. Принцип работы устройства заключается в том, что на шпиндель 1 устанавливают ТПЭ 2, в виде пьезоэлемента, преобразую щего механические колебания в электрическую энергию, и сопротивления, рас положенного как можно ближе к балансировочной камере 3, полностью заполненной легкоплавким веществом 4. Внешняя сторона балансировочной камеры контактирует с подшипниковой опорой 5. При возникновении дисбаланса на шлифовальном круге шпиндель начнет вибрировать. В результате на пьезоэлемент будет действовать знакопеременная сила, которая начнет вырабатывать электроэнергию поскольку противоположные концы пьезоэлемента замкнуты через сопротивление, то к легкоплавкому ве ществу начнет подводиться тепловая энергия. В результате чего легкоплавкое вещество расплавиться и боковые стенки балансировочной камеры начнут деформироваться под действием центробежных сил до момента устранения дисбаланса шпинделя. После исчезновения вибрации к легкоплавкому веществу перестанет подводиться тепловая энергия и оно отвердеет и зафиксирует шпин дель в сбалансированном состоянии.
Следующее АБУ (патент РФ № 2259545 [52]) состоит из внутренней обоймы или цилиндрической емкости 1 и внешней обоймы или поршня 2 (рис. 5.18.). Камера полностью заполнена легкоплавким веществом 3 и крепится внешней обоймой к подшипнику 5, а внутренней - к шпинделю 4, который имеет в месте креплении шарообразную выпуклость.
Рис. 5.17. Схема АБУ, содержащего пьезоэлемент
Рис. 5.18. Схема АБУ с камерой в виде поршня: а - положение до проведения балансировки; б - после балансировки
При вращении ротора и возникновении дисбаланса на шлифовальном круге производят разогрев легкоплавкого вещества в камере (подвод теплоты может осуществляться любым нагревательным элементом). Оно изменит свое агрегат ное состояния с твердого на жидкое и позволит внутренней обойме переме щаться относительно внешней. При этом первоначальное положение оси ращения шпинделя будет параллельно конечному. Таким образом можно устранить лишь статическую неуравновешенность. Поэтому для устранения моментной неуравновешенности предусмотрена шарообразная выпуклость на шпинделе. С ее помощью ось шпинделя может не только параллельно перемещаться относи тельно своего первоначального положения, но и поворачиваться на необходимый угол для устранения моментной неуравновешенности (см. рис. 5.18-б). После окончание процесса балансировки под действием естественного теплообмена легко плавкое вещество отвердеет и зафиксирует стенки камер при уравновешенного положении шпинделя.
Для балансировки роторов можно использовать АБУ (патент РФ №2255316 [53]) содержащее балансировочную камеру с составными стенками (рис. 5.19). Для этого на шпинделе 1, устанавливают балансировочную камеру 2. При этом элементы стенок 3 и 4 балансировочной камеры выполнены в виде колец из материалов с различными модулями упругости, которые расположены относительно друг друга в шахматном порядке. Стенки колец по поверхностям 5 плотно прижимают друг к другу за счет скрепления их болтами 6 таким образом, чтобы обеспечивалась возможность смещения их относительно друг друга по поверхности 5. По по верхностям 7 кольца 3 и 4 соединяют жестко между собой, например, путем за прессовки одно в другое или сварки (склейки). Количество камер выполняют равным числу опор. Внутри камеру полностью заполняют легкоплавким веще ством 8. Во избежание схватывания торцевых стенок камеры с легкоплавким веществом между ними расположена резиновая прокладка 9. Камеры вставляют во внутренние обоймы подшипников 10, которые в свою очередь крепятся на корпусе станка 11. При возникновении дисбаланса на шлифовальном круге шпиндель начнет вибрировать и, как следствие, стенки камеры начнут деформироваться. Так как они выполнены из материалов с различными модулями упругости, то будет происходить смещение одной стенки относительно другой и из-за их трения начнет выделяться тепло. В результате этого легкоплавкое вещество распла вится и шпиндель получит возможность самосбалансироваться под действием центробежных сил на закритической скорости вращения. После совмещения ГЦОИ и оси вращения дисбаланс и источник тепловой энергии исчезают. Под действием естественного теплообмена легкоплавкое вещество от вердеет и зафиксирует стенки камеры в сбалансированном состоянии шпин деля.
Рис. 5.21. Схема АБУ с составными стенками камеры
По принципу совмещения ГЦОИ с осью вращения работает и устройство, рекомендуемое для установки на роторы с опорами на газовой смазке (патент РФ №2171457 [146]).
Изобретение (см. рис. 5.20) осуществляется следующим образом.
Опору ротора на газовой смазке 2 устанавливают внутри кольцевой камеры 3 с упругими торцевыми стенками 4, жесткость которых выбирают из условия обеспечения самобалансировки ротора при заданной ско рости его вращения в процессе балансировки. Перед началом балансировки камеру пред варительно заполняют отвердевающим мате риалом из легкоплавкого вещества 5, обладающего способностью
Рис. 5.20. Схема АБУ с опорами на газовой смазке
неоднократно изменять свое агрегатное состояние при подводе и последующем отводе теплоты (например, сплавом Вуда). Затем ротор после отвердения легкоплавкого вещества приводят во враще ние с рабочей частотой с одновременной подачей газовой смазки в его опоры 6. Если ротор окажется неуравновешенным, то бла годаря возникающей вибрации опоры разо греются т.к. опоры на газовой смазке имеют низкую несущую способность и при вибрации возникает контакт между валом и вкладышем, т.е. силы трения. Возникший приток теплоты расплавит легкоплавкое вещество, а торцо вые стенки кольцевой камеры сдеформируются так, что ротор начнет вращаться относительно оси, близкой к главной цент ральной оси инерции, т.е. произойдет автоматическая балансировка ротора. Вибра ция ротора исчезнет и подвод теплоты прекратится. Вращение ротора продолжают до тех пор, пока вещество в камере не отвердеет за счет естественного отвода теплоты в результате теплообмена между опорами и окружающей средой. При этом деформация торцевых стенок будет зафикси рована до момента возникновения новых условий дисбаланса. Если изменится рабочая частота вращения ротора или возникнет дисбаланс при его эксплуатации на рабочей частоте вращения, то процесс балансировки ротора произойдет автоматически по выше изложенной схеме. При наличии у ротора нескольких опор предлагаемое устройство устанавливается на каждом из них.