СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИСБАЛАНСА БЫСТРОВРАЩАЮЩИХСЯ ТЕЛ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01C19/00 G01M1/38 

Изобретение относится к гироскопическим приборам, а именно к динамическим балансировочным устройствам быстровращающихся малогабаритных тел, используемых, например, для балансировки микротурбин стоматологических наконечников медицинских бормашин.

Известен способ балансировки быстровращающихся тел, заключающийся в выборе для их изготовления однородного по плотности, без раковин материала и обеспечении их высокой геометрической точности по размерам и форме путем изготовления на специальном высокоточном оборудовании.

В этом способе быстровращающееся тело имеет одну степень свободы - собственную ось вращения. Данный способ относительно прост при реализации в производстве турбин, не требует дополнительного ручного труда на сборочных (балансировочных) операциях, так как требуемая величина остаточного дисбаланса обеспечивается на этапе механического изготовления детали.

Такой способ балансировки не нашел широкого распространения при изготовлении роторов гироскопических приборов и электродвигателей.

Данный способ ограничен по достижению точности балансировки быстровращающихся тел, так как при их производстве имеются определенные, хотя и малые отклонения размеров деталей и однородности материалов, а следовательно, требуется исправление в готовой детали (уравновешивание) погрешностей, которые возникли в процессе производства.

Кроме того, величина остаточного дисбаланса не контролируется на конкретной турбине, а лишь обеспечивается техпроцессом ее механического изготовления, а потому данному способу присущи нестабильность и недостаточная надежность.

Известно быстровращающееся тело (турбина), состоящее из валика и собственно турбины, изготовленных из однорядных материалов, прутков соответственно из стали 20х13 ГОСТ 5632-72 и алюминиевого сплава B 95TI ГОСТ 21488-76 с выполнением диаметральных размеров в 7-8 квалитетах точности, а относительных радиальных биений не более 5 мкн.

Изготовление данных турбин относительно нетрудоемко при наличии специального высокоточного токарного оборудования.

Однако данное быстровращающееся тело имеет ограниченную точность балансировки, а следовательно, его остаточный дисбаланс во время работы прибора вызывает появление вибраций, которые создают неправильную работу прибора, гул, преждевременный износ и выход из строя подшипников.

Кроме того, область использования данных быстровращающихся тел ограничена.

Из известных способов динамического дисбаланса быстровращающихся тел наиболее близким по своей технической сущности является способ динамического дисбаланса, заключающийся в обеспечении телу степени свободы относительно оси, перпендикулярной собственной оси вращения посредством подвижной опоры, разгона тела вращения и измерении на его выбеге по амплитуде колебаний вращающегося тела величины его дисбаланса.

Данный способ довольно широко распространен при изготовлении роторов и турбин, в нем определения местоположения и величины неуравновешенности производятся автоматизированно с помощью устройств, их замеряющих.

Однако точность динамической балансировки по этому способу ограничена, так как при уменьшении величины остаточного дисбаланса балансируемого тела в процессе балансировки, а следовательно, снижении величины амплитуды колебаний подвижной опоры наступает соизмеримость ее с величиной радиальных люфтов подшипников опор, при этом теряется достоверность информации. Поэтому область применения этого способа ограничена, например, практически невозможно отбалансировать с требуемой точностью микротурбины стоматологических наконечников медицинских бормашин, имеющих массу менее 1,0 г и скорость вращения до 300 000 об/мин.

Предлагаемое изобретение актуально в связи с тем, что требования по точности балансировки быстровращающихся тел, в настоящее время широко используемых в технике, постоянно повышается в условиях снижения их массогабаритных характеристик, например, массы менее 1,0 г и повышении скорости вращения турбин до 300 000 об/мин, и решает задачу повышения точности балансировки быстровращающихся тел путем обеспечения стабильности параметров гироскопа за счет обеспечения постоянной запитки воздухом привода роторов (турбин) и исключения влияния реакции струи сжатого воздуха на параметры гироскопа во время его прецессии.

Предлагаемый способ определения динамического дисбаланса быстровращающихся тел заключается в обеспечении телу вращения дополнительной свободы относительно оси, перпендикулярной собственной оси вращения, разгоне тела вращения, определении величины дисбаланса тела вращения; по оси балансируемого тела вращения устанавливают ротор гироскопа, обеспечивают телу вращения и ротору третью степень свободы относительно оси, перпендикулярной первым двум осям, и поддерживают постоянную скорость вращения; по одной из осей подвеса создают односторонне направленную прецессию и воздействуют относительно ее моментом сил сухого трения, линеаризуют его центробежным моментом дисбаланса и балансируемого тела вращения, калибруют прецессию по другой оси подвеса в единицах дисбаланса балансируемого тела вращения.

В предлагаемом устройстве для балансировки быстровращающихся тел, содержащем ротор в виде активной турбины в кардановом подвесе, состоящем из внутренней и наружной рамок, воздуховодные каналы в корпусе и наружной рамке, воздухопровод к ротору, датчик угла по оси наружной рамки, арретирующее устройство, во внутренней рамке установлены на оси вращения ротора балансируемое тело вращения, например, микротурбина бормашины, воздухоподводы к ротору и балансируемому телу вращения, а также в ней выполнены воздуховодные каналы, цапфы опор внутренней и наружной рамок выполнены полыми и сопряженными с воздуховодными каналами, при этом внутренняя рамка снабжена парой сухого трения преимущественно в виде размещенного по ее оси кольца и подвижной к нему упругой пластины, закрепленной на наружной рамке, на которой также установлена эксцентрично ее оси мерная масса; при этом по оси ротора и балансируемого тела вращения у торцев внешних цапф размещены датчики их оборотов.

Сущность предлагаемого способа заключается в косвенной оценке (замере) динамического дисбаланса по выходному параметру гироскопа уходу наружной рамки, используя тот факт, что если прецессия по одной из осей гироскопа вызвана воздействием по другой оси гироскопа момента сил сухого трения, то данный момент под воздействием центробежного момента сил от дисбаланса ротора гироскопа подвергается линеаризации и уменьшается в несколько раз.

Поэтому пропорционально коэффициенту линеаризации, а следовательно, и моменту сил от дисбаланса ротора уменьшается прецессия гироскопа (его уходы).

Сущность предлагаемого устройства для определения динамического дисбаланса быстровращающихся тел заключается в использовании по одной оси двух тел вращения: балансируемого (микротурбина бормашины), которое отдельно ввиду ничтожно малого кинетического момента (1,0 г • см • с) из-за малой собственной массы самостоятельно использовать в качестве ротора гироскопа невозможно, и ротора гироскопа, что подразумевает его предварительную сбалансированность и наличие у него определенного кинетического момента. На практике самые маленькие гироскопы имеют кинетический момент около 50 г • см • с.

Кроме того, сущность устройства также заключается в обеспечении стабильности параметров гироскопа кинематического момента ротора, сухого трения по оси, постоянства знака прецессии гироскопа.

На фиг. 1 показано гироскопическое устройство (принципиальная кинематическая схема); на фиг. 2 конструктивная схема подвода сжатого воздуха через полые цапфы наружной и внутренней рамок; на фиг. 3 - конструктивная схема установки ротора гироскопа и балансируемой микротурбины; на фиг. 4 графики угловой скорости прецессии по оси наружной рамки в зависимости от соотношения момента по наружной рамке М_н к центробежному моменту М_ц, вызванного дисбалансом микротурбины; на фиг. 5 график изменения момента дисбаланса M_∂∂ в функции прецессии .

На фиг. 1 ротор 1 в виде активной турбины и балансируемая микротурбина 2 установлены по общей оси вращения во внутренней рамке 3, которая установлена в вилкообразной наружной рамке 4 на консольной цапфе 5 в корпусе 6.

Ротор 1 и микротурбина 2 приводятся во вращение сжатым воздухом, который подведен к лункам обода через цапфы 5 наружной 4 и внутренней 3 рамок и воздуховодные каналы в рамках по стрелкам А, показанным пунктиром.

Непосредственно к лункам обода ротора 1 и микротурбины 2 сжатый воздух подведен с помощью воздухоподвода (трубок) Б, закрепленных на внутренней рамке 3. Кинетический момент ротора и турбины Н. На оси внутренней рамки 3 укреплено металлическое кольцо 7, которое поджато упругой пластиной 8, установленной на наружной рамке 4. Данная пара (7, 8) создает момент сухого трения М_в по оси внутренней рамки 3. На наружной рамке 4 размещена мерная масса 9, создающая момента по наружной рамке 4 М_н и, как следствие, прецессию по оси внутренней рамки с угловой скоростью Угловая скорость прецессии по оси наружной рамки (под воздействием момента М_в) фиксируется по шкале 10 посредством зеркала, укрепленного на наружной рамке 4. На зеркало 11 направляется световой луч от источника света 12, который отражается на шкалу. В исходном положении гироскоп заарретирован штоком 13, взаимодействующим с внутренней рамкой 3. Обороты ротора 1 и микротурбины 2 измеряются по отраженному от частично закрепленного торца лучу посредством оптронных пар ОП, содержащих светодиод типа 3 Л 1076 и фотодиод типа КФДМ. Для уменьшения утечки сжатого воздуха зазоры между цапфой 5 и корпусом 6 (фиг. 2) выбраны минимально возможными, а подшипник 14 защищен от воздуха шайбой 15 и сбросом избыточного давления через отверстия 16.

На фиг. 3 показана конструктивная схема установки ротора 1 гироскопа и микротурбины 2 на внутренней рамке 3 с собственной осью вращения 17.

Микротурбина с помощью фланцев 18 установлена в скобе 19, которая крепится к рамке винтами 20. Однозначность установки скобы 19 обеспечивается штифтами 21. Это позволяет производить смену турбин при балансировке, устанавливать эталонную по допустимому дисбалансу микротурбину и проводить работы по уравновешиванию микротурбины.

Аналогично размещен и ротор 1 гироскопа на внутренней рамке 3, что позволяет проводить его профилактику и ремонтные работы.

На внутренней рамке выполнен выступ 22 для взаимодействия с штоком 13 арретирующего устройства и для размещения балансировочного груза 23, обеспечивающего статическое уравновешивание гироскопа относительно оси 17 внутренней рамки 3. На торце микротурбины 2 (фиг. 1) нанесены четыре отметки равномерно через 90^o и с нумерацией 1, 2, 3, 4. Они обеспечивают реализацию компенсационного метода балансировки [5] т.е. перемещением балансировочного груза относительно меток и его изменением добиваются положения, при котором дисбаланс микротурбин не превышает допустимого.

Работа предложенного устройства происходит следующим образом.

После подачи воздуха и обеспечения вращения микротурбины 2 (фиг. 1) на ее рабочей скорости проводят разарретирование, выводя шток 13 из зацепления с выступом 22 внутренней рамки 3. При этом ротор 1 имеет также определенную скорость вращения, создающую постоянный кинетический момент Н. Скорость вращения микротурбины 2 и ротора 1 перед разарретированием контролируется с помощью оптронных пар ОП. После разарретирования под действием момента М_н, создаваемого мерной массой 9, внутренняя рамка 3 будет прецессировать с угловой скоростью При этом встречно вектору создается момент сил М_в сухого трения по оси внутренней рамки 3 парой трения 7, 8 (кольцо 7, упругая пластина 8). В свою очередь под действием момента сил сухого трения М_в гироскоп прецессирует с угловой скоростью и световой блик от зеркальца 11, создаваемого источником света 12, будет перемещаться по стрелке B. По величине отклонения блика на шкале 10 за выбранный промежуток времени можно определить уход гироскопа
При балансировке микротурбины 2 вначале вместо нее устанавливается эталонная микротурбина, у которой дисбаланс не превышает допустимый, установленный для бормашин. При малом моменте динамического дисбаланса M_∂∂ так как степень линеаризации момента сил сухого трения нежелательна, уход по наружной рамке будет стремиться к своему предельному значению М_в/Н (фиг. 4), так как соотношение М_в/М_ц близко к единице и линеаризация момента М_в практически отсутствует.

Здесь центробежный момент M_ц= (M_∂∂•Ω²)/g где Ω -скорость вращения микротурбины 2; g ускорение силы тяжести.

Таким образом, при эталонной микротурбине 2 будет иметь место максимальный уход гироскопа Это фиксируется на шкале 10 (фиг. 1), например, делением Г (за выбранный промежуток времени).

При установке вместо эталонной разбалансированной микротурбины уход гироскопа определяется наклонным участком графика (фиг. 4) с учетом линеаризации момента М_в динамическим дисбалансом

откуда
Таким образом, момент дисбаланса обратно пропорционален угловой скорости прецессии гироскопа по оси наружной рамки (фиг.5).

При большом M_∂∂ гироскоп "нечувствителен" к прецессии (уходу ) и, наоборот, при уменьшении M_∂∂ увеличивается уход. При балансировке микротурбины 2 необходимо обеспечить прецессию, равную прецессии гироскопа с эталонной микротурбиной 2, соответствующей допустимому дисбалансу.

На фиг. 5 даны две кривые для показа влияния кинематического момента Н ротора 1 и момента М_н по наружной рамке 4, создаваемого мерной массой 9, на характер прецессии по наружной рамке 4 в зависимости от момента динамического дисбаланса M_∂∂
Величину и место расположения неуравновешенности можно определить компенсационным методом перемещением по торцу микротурбины 2 и изменением массы балансировочного груза до положения и величины, соответствующей допустимому дисбалансу микротурбины 2. После определения места и величины неуравновешенности балансировку можно осуществить удалением металла в соответствующей точке микротурбины 2.

Таким образом, совокупность признаков предлагаемого способа динамической балансировки быстровращающихся тел и устройства для его осуществления, реализация которых может быть выполнена в соответствии с фиг. 1 5, позволяет, с одной стороны, обеспечивать стабильность параметров H, М_в, М_н, Ω а с другой варьировать ими, выбрать другое их сочетание, что дает высокую чувствительность гироскопа ( ) к величине дисбаланса быстровращающихся тел. Это обеспечивает повышение точности балансировки. Например, у микротурбин обеспечивается момент динамического дисбаланса M_∂∂ до величины 5•10^-6 г • см.

Указанная величина момента динамического дисбаланса позволяет микротурбине надежно работать при угловой скорости 300 000 об/мин и еще иметь небольшую вибрационную перегрузку (≈ 0,5 g), а также повышает бесшумность, долговечность и безопасность стоматологического наконечника.

При этом возможность варьировать параметрами гироскопа придает этому способу универсальность, так как позволяет обеспечивать очень высокую точность балансировки не только микротурбин (тел вращения с незначительным кинематическим моментом), но и любых других быстровращающихся тел.

Использование: динамическое балансировочное устройство быстровращающихся малогабаритных тел для балансировки, например, микротурбин стоматологических наконечников медицинских бормашин. Сущность изобретения: балансируемое тело вращения устанавливают во внутренней рамке трехстепенного гироскопа, при этом обеспечивается стабильность параметров гироскопа. Динамическая балансировка заключается в обеспечении балансируемому телу вращения дополнительной степени свободы относительно оси, перпендикулярно собственной оси вращения. По одной из осей подвеса гироскопа создают односторонне направленную прецессию, воздействуют относительно ее моментом сил сухого трения. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения динамического дисбаланса быстровращающихся тел, заключающийся тем, что обеспечивают быстровращающемуся телу дополнительную степень свободы относительно оси, перпендикулярной собственной оси вращения, приводят его в вращение и определяют величину дисбаланса быстровращающегося тела, отличающийся тем, что по оси балансируемого быстровращающегося тела дополнительно устанавливают ротор гироскопа, который совместно с быстровращающимся телом размещают в кардановом подвесе для обеспечения им третьей степени свободы относительно оси, перпендикулярной первым двум осям, при этом быстровращающееся тело вращают высоте с ротором гироскопа с постоянной скоростью, а по одной из осей подвеса создают односторонне направленную процессию и воздействуют относительно этой оси моментом сил сухого трения, линеаризованного центробежным моментом дисбаланса балансируемого быстровращающегося тела, при этом динамический дисбаланс определяют по величине процессии по другой оси подвеса, которую калибруют в единицах дисбаланса. 2. Гироскопическое устройство для определения динамического дисбаланса быстровращающихся тел в виде микротурбин стоматологического наконечника бормашины, отличающееся тем, что оно содержит корпус, ротор в виде активной турбины в карданном подвесе, состоящем из внутренней и наружной рамок, воздуховодные каналы в корпусе и наружной рамке, воздухоподвод к ротору, датчик угла по оси наружной рамки и арретирующее устройство, при этом во внутренней рамке, снабженной воздуховодными каналами, по оси ротора установлено балансируемое быстровращающееся тело с воздухоподводом к нему, во внутренней и наружной рамках выполнены полые цапфы опор, сопряженные с воздуховодными каналами, внутренняя рамка снабжена парой сухого трения в виде размещенного по ее оси кольца и поджатой к нему упругой пластины, закрепленной на наружной рамке, на которой также установлена эксцентрично ее оси мерная масса, по оси ротора и балансируемого быстровращающегося тела у торцов цапф наружной рамки размещены датчики оборотов.