ПНЕВМОШЛИФОВАЛЬНАЯ МАШИНКА Российский патент 1997 года по МПК F01D15/06 

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться при ручной обработке поверхности различных материалов.

Уровень техники известен из устройства, содержащего корпус, турбину, газостатический опорный подшипник и газостатический упорный подшипник, расположенный по обе стороны рабочего колеса, раздельные каналы подвода рабочей среды к турбине и подшипникам, пусковой клапан, перекрывающий канал рабочей среды к турбине (Технология судостроения, 1982, N 4, с. 41-42). Частота вращения вала ω1000 с^-1, масса машины 1,8 кг.

Известно также устройство (Вестник машиностроения, 1992, N 2, с. 23), содержащее те же существенные признаки, но отличающиеся более высокими значениями скорости вращения вала ( w1500 с^-1), пониженными значениями массы машины 0,35 кг.

Одной из основных тенденций развития современного ручного пневмошлифовального инструмента является повышение частоты вращения (угловой скорости) вала, что обеспечивает увеличение скорости резания и, следовательно, улучшение качества обрабатываемой поверхности, а также расширение области применения пневмошлифовальных машин. Повышение скорости резания ручным пневмошлифовальным инструментом ведет к росту вибрационных и акустических воздействий на оператора.

Известные устройства, обладая невысокими скоростями вращения, имеют ограниченное применение, а заданные технические параметры не позволяют достичь более высоких значений угловой скорости вращения вала.

Задачей изобретения является создание высокоскоростного и вибробезопасного ручного пневмошлифовального инструмента.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении зоны устойчивой работы вала при его вращении с угловой скоростью на порядок, превышающей угловую скорость известных устройств без изменения традиционной конструкции.

Известно, что вибрация это потеря устойчивости работы вала, причиной которой является полускоростной вихрь, возникающий при вращении вала, а также колебания типа синхронного вихря, источником которого является дисбаланс и ложные вихри от неточности изготовления (С.А.Шейнберг, В.П.Жедь, М.Д.Шишнеев и др. Опоры скольжения с газовой смазкой, М. Машиностроение, 1979, III гл.).

Вибрации типа синхронного и ложного вихрей устраняются точным изготовлением и сборкой, тщательной балансировкой вала.

Особенность же полускоростного вихря заключается в том, что он возникает почти мгновенно при достижении валом определенной частоты вращения и ощущается как сильная вибрация, особенно по сравнению с предшествующей спокойной и бесшумной работой вала. Потеря устойчивости вала типа полускоростного вихря возникает в том случае, когда рабочая угловая скорость вращения вала превышает некоторую критическую угловую скорость. Повышения значения критической угловой скорости добиваются применением специальных конструкций газовых опор, профилированием межлопаточных каналов.

Совокупное влияние размеров элементов устройства на критическую угловую скорость вала не известно. Поэтому для вновь проектируемых пневмошлифовальных машин необходима их экспериментальная отработка, целью которой является определение оптимальных соотношений размеров основных элементов турбины, обеспечивающих необходимое значение критической угловой скорости вала.

Изобретение характеризуется следующими существенными признаками:
ограничительные корпус, турбина, установленная на газостатические опорные подшипники, имеющие питающие отверстия, газостатические упорные подшипники, расположенные у обращенных в противоположные стороны дисков рабочих колес, разделенные каналы подвода рабочей среды к газостатическим подшипникам и турбине, пусковой клапан, перекрывающий канал подвода рабочей среды к турбине, каналы отвода отработанной рабочей среды;
отличительные диаметр вала выбран равным 0,37-0,55 диаметра рабочего колеса, остальные конструктивные размеры элементов турбины связаны между собой следующими соотношениями:
длина вала равна 2,7-5,6 диаметра рабочего колеса,
ширина диска рабочего колеса равна 0,10-0,22 диаметра рабочего колеса,
расстояние между обращенными друг к другу дисками рабочих колес равно 0-0,17 диаметра рабочего колеса,
длина опорных подшипников равна 0,34-0,73 диаметра рабочего колеса,
наружный диаметр опорных подшипников равен 0,41-0,78 диаметра рабочего колеса,
расстояние между центрами опорных подшипников равно 0,34-4,9 диаметра рабочего колеса,
эквивалентный диаметр питающих отверстий опорных подшипников определен по формуле D_экв=
где d диаметр питающих отверстий;
n количество питающих отверстий,
и равен 0,05-0,11 диаметра рабочего колеса.

Основные конструктивные размеры элементов турбины, влияющие на повышение устойчивости работы вала, выявлены экспериментально:
1. Размерный ряд H₁, в котором основные конструктивные размеры элементов турбины определены взаимоотношением диаметров вала и рабочего колеса, равным 0,37-0,55;
2. Размерный ряд H₂, определенный взаимоотношением диаметров вала и рабочего колеса, равным 0,60-0,75;
3. Размерный ряд H₃, определенный взаимоотношением диаметров вала и рабочего колеса, равным 0,20-0,35
Проведены стендовые испытания пневмошлифовальных машин по определению зависимости критической угловой скорости вращения вала от числа оборотов. Результаты испытаний представлены на фиг. 1.

Из графика видно, что пневмошлифовальная машинка с размерным рядом H₁ обладает наилучшими показателями. При увеличении частоты вращения вала до частоты вращения на холостом ходу значение угловой скорости вращения вала ниже критической угловой скорости. Область на графике по оси ω/ω_кр определенная значениями от 0 до 1 область устойчивой работы вала, характеризующаяся незначительным уровнем вибрации.

Для определения основных конструктивных размеров элементов турбины пневмошлифовальной машины выбран диаметр рабочего колеса турбины, т.к. является определяющим для расчета угловой скорости вращения вала. Остальные размеры элементов турбины являются производными и зависят от выбранного диаметра рабочего колеса, первоначально заданных параметров мощности и числа оборотов. Определение основных размеров элементов турбины через диаметр рабочего колеса удобно для практического применения.

Отношение диаметра вала к диаметру рабочего колеса, равное заявленному диапазону 0,37-0,55, и основные размеры элементов турбины, связанные этим диапазоном, обеспечивают устойчивую, вибробезопасную работу пневмошлифовальной машины с повышенным значением частоты вращения вала. Изменение выбранного диапазона отношения диаметров вала и рабочего колеса как в сторону увеличения, так и уменьшения, неизменно приводит к снижению угловой скорости и, следовательно, к неустойчивой работе вала возникновению вибраций.

На фиг. 2 изображена пневмошлифовальная машинка, где 1 корпус; 2 - направляющий аппарат; 3 вал; 4 опорные газостатические подшипники; 5 - питающие отверстия; 6 рабочее колесо; 7 упорные газостатические подшипники; 8 пусковой клапан; 9, 10 каналы подвода рабочей среды; 11, 12 каналы отвода отработанной рабочей среды.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Рабочая среда от внешнего источника (не указан) поступает через входное отверстие по каналу 10 к питающим отверстиям 5 опорных газостатических подшипников. Канал подвода рабочей среды перекрыт пусковым клапаном. Поступившая к опорным подшипникам рабочая среда создает воздушные зазоры между поверхностью вала, внутренними поверхностями опорных газовых подшипников, обеспечивают "смазку" опорных подшипников. При создании упругого слоя рабочей среды открывают канал подвода рабочей среды к турбине, рабочая среда поступает к упорному подшипнику 7, заполняет зазор между упорными подшипниками и рабочим колесом. Одновременно через направляющий аппарат турбины рабочая среда с большой скоростью поступает на лопатки рабочего колеса и начинает его вращать с минимальными потерями на трение.

При выключении устройства газостатические опорные подшипники продолжают работать в газодинамическом режиме, что также исключает износ вала и подшипников. Отработанная рабочая среда сбрасывается в атмосферу через каналы 11 и 12.

К описанию заявляемого устройства прилагается копия гигиенического сертификата шлифовальных машин с заявляемым взаимоотношением диаметра вала и диаметра рабочего колеса.

Испытанию подвергались опытные образцы машин, имеющие основные размеры элементов турбины в соответствии с размерным рядом H₁.

Заявляемое отношение основных размеров элементов турбины относится как к одноступенчатым, так и многоступенчатым осевым турбинам: Модель ВПШМ 0.15.01 с одноступенчатой турбиной, модель ВПМШ 0.35.01 с двухступенчатой турбиной.

Отмечено, что заявляемую пневмошлифовальную машинку невозможно сравнивать по фактическому уровню вибрации с известными устройствами, т.к. технические параметры заявляемого устройства на порядок выше, чем у прототипа, несмотря на то, что они имеют одинаковые турбины малоразмерные, осевые, быстроходные.

В таблице приведены технические характеристики известных устройств и заявляемого.

Использование: при ручной обработке поверхностей различных материалов. Сущность изобретения: пневмошлифовальная машинка содержит турбину, установленную на газостатических подшипниках. Приведены соотношения, связывающие между собой конструктивные размеры элементов турбины. 1 табл., 2 ил.

Пневмошлифовальная машинка, содержащая корпус, турбину, установленную на газостатические опорные подшипники, имеющие питающие отверстия, и упорные газостатические подшипники, расположенные у обращенных в противоположные стороны дисков рабочих колес, раздельные каналы подвода рабочей среды к газостатическим подшипникам и турбине, пусковой клапан, перекрывающий канал подвода рабочей среды к турбине, каналы отвода рабочей отработанной среды, отличающаяся тем, что диаметр вала выбран равным 0,37 0,55 диаметра рабочего колеса, а остальные основные конструктивные размеры элементов турбины связаны между собой следующими соотношениями: длина вала равна 2,7 5,6 диаметра рабочего колеса, ширина диска рабочего колеса равна 0,10 0,22 диаметра рабочего колеса, расстояние между обращенными друг к другу дисками рабочих колес равно не более 0,17 диаметра рабочего колеса, длина опорных подшипников равна 0,34 0,73 диаметра рабочего колеса, наружный диаметр опорных подшипников равен 0,41 0,78 диаметра рабочего колеса, расстояние между центрами опорных подшипников равно 0,34 4,9 диаметра рабочего колеса, эквивалентный диаметр питающих отверстий опорных подшипников определен по формуле

где d диаметр питающих отверстий;
n количество питающих отверстий,
и равен 0,55 0,11 диаметра рабочего колеса.