ДЕМПФЕР Российский патент 1998 года по МПК F16F15/02 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в высокоскоростных роторах с вертикальной осью вращения, например, в газовых ультрацентрифугах.

Известен демпфер скоростной газовой центрифуги с вертикальной осью вращения ротора, [1], содержащий подвижный элемент ступенчатой формы, шарнирно опертый нижним торцем на конический штырь дна цилиндрического резервуара, заполненного жидкостью, несущий подшипник для ротора в верхней части подвижного элемента, снабженной цилиндрическим кольцом с радиальными и осевыми отверстиями и поперечную перфорированную диафрагму, соединенную с нижним торцем подвижного элемента и со стенкой резервуара.

Данный демпфер не может обеспечить эффективное гашение высокочастотных колебаний из-за большой приведенной к опоре ротора массы подвижного элемента, так как взаимное расположение его утолщенной части и шарнира не является оптимальным. По этой же причине в шарнире подвижного элемента возникают значительные боковые усилия, способствующие увеличению трения и износу контактирующей пары.

Известен демпфер колебаний вертикального ротора [2], содержащий подвижный элемент ступенчатой формы, верхняя часть которого снабжена подшипником для опоры ротора, а нижняя утолщенная часть в виде полого внутри демпфирующего цилиндра расположена в резервуаре с жидкостью и соединена с его стенкой посредством поперечной упругой мембраны, причем в полости демпфирующего цилиндра, заполненной жидкостью, упруго закреплен подвижный в радиальном направлении второй демпфирующий элемент.

В данном демпфере функции центрирующих пружин и опоры для подвижного элемента выполняет поперечная упругая мембрана, расположенная по высоте подвижного элемента между демпфирующим цилиндром и подшипником опоры ротора и обеспечивающая герметизацию резервуара с демпфирующей жидкостью. Наличие второго демпфирующего элемента расширяет диапазон частот колебаний ротора, эффективно гасимых демпфером, однако усложняет его конструкцию.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является демпфер колебаний быстровращающегося ротора [3], содержащий установленный в заполненном жидкостью резервуаре подвижный элемент в виде открытого снизу полого демпфирующего цилиндра, снабженного в верхней части подшипником для опоры ротора и упругой поперечной мембраной, герметично соединенной со стенкой резервуара, центральный гибкий стержень, жестко соединенный концами с демпфирующим цилиндром и с дном резервуара, центральный штырь, закрепленный на дне резервуара и размещенный с зазором в полости демпфирующего цилиндра, и плоское металлическое кольцо, связанное с демпфирующим цилиндром и взаимодействующее с полем магнита, установленного в расточке резервуара.

При колебаниях ротора демпфирующий цилиндр имеет возможность перемещаться в радиальном и аксиальном направлениях, вызывая при этом деформации упругих элементов (мембраны и гибкого стержня) и перемещения жидкости в зазорах между стенками резервуара, демпфирующего цилиндра и центрального штыря. Поперечная мембрана в данном демпфере должна иметь повышенную жесткость, т. к. в основном она воспринимает вес подвижного элемента и ротора (или некоторую часть веса, если предусмотрена осевая разгрузка ротора). При колебаниях ротора на рабочем режиме и в случае многократного его разгона и выбега на упругие элементы длительно воздействуют знакопеременные деформации, что снижает их долговечность и вызывает дополнительный нагрев демпфирующей жидкости, а введение второго демпфера в виде магнитной пары усложняет конструкцию.

Задача изобретения заключается в том, чтобы при простой конструкции демпфера и малых боковых усилиях в шарнире повысить долговечность его работы и обеспечить стабильность рабочих параметров в широком частотном диапазоне эффективного демпфирования за счет снижения трения в шарнире подвижного элемента и уменьшения изгибных деформаций герметизирующей мембраны, связанной с подвижным элементом.

Указанный технический результат достигается тем, что демпфер, содержащий резервуар, заполненный жидкостью, установленный в нем подвижный элемент ступенчатой формы, в верхней части которого расположен подшипник для опоры ротора, а нижняя утолщенная часть выполнена в виде открытого снизу полого демпфирующего цилиндра, поперечную разделительную мембрану, герметично соединенную со стенкой резервуара и подвижным элементом, и центральный опорный штырь, закрепленный на дне резервуара и расположенный с зазором в полости демпфирующего цилиндра, снабжен центрирующими пружинами, расположенными у верхней части подвижного элемента, и иглой, установленной в подвижном элементе между его верхней частью и демпфирующим цилиндром, поперечная разделительная мембрана соединена с нижней утолщенной частью подвижного элемента, причем игла опирается на внутреннюю опорную поверхность на торце центрального опорного штыря с образованием шарнира, центр вращения которого расположен в плоскости разделительной мембраны. А также разделительная мембрана может быть выполнена с малой жесткостью на изгиб. А также разделительная мембрана может быть выполнена из тонкой металлической пластины или из эластомера.

Известно, что выполнение подвижного элемента демпфера скоростного вертикального ротора ступенчатой формы и расположение шарнира выше торца его нижней утолщенной части уменьшает приведенную к опоре ротора массу подвижного элемента, благодаря чему расширяется в зону высоких частот диапазон эффективно демпфируемых колебаний ротора и уменьшаются боковые усилия в шарнире. Улучшению демпфирующих параметров способствует и образованная центральным опорным штырем и стенкой полой нижней части подвижного элемента дополнительная буферная кольцевая полость, заполненная жидкостью. В предлагаемом демпфере шарнир выполнен в виде иглы, установленной на торец центрального опорного штыря, что способствует снижению трения и износа контактирующих элементов шарнира. Расположение центра вращения шарнира в плоскости разделительной мембраны обеспечивает минимальные деформации последней в зоне ее крепления к подвижному элементу и малые силовые воздействия на него.

На чертеже показан разрез нижней части ротора с демпфером.

В цилиндрическом резервуаре 1, частично заполненном демпфирующей жидкостью, шарнирно установлен подвижный элемент ступенчатой формы, в верхней части 2 которого расположены подшипник 3 для опорной иглы 4 ротора 5 и центрирующие пружины 6. Нижняя утолщенная часть подвижного элемента выполнена в виде открытого снизу полого демпфирующего цилиндра 7, размещенного с зазором в нижней части резервуара 1 с образованием кольцевой полости 8. Игла 9, установленная в подвижном элементе между его верхней частью 2 и демпфирующим цилиндром 7, опирается, образуя шарнир 10, на внутреннюю коническую или сферическую опорную поверхность на торце центрального опорного штыря 11, закрепленного на дне резервуара 1 и расположенного с зазором в полости демпфирующего цилиндра 7 с образованием второй кольцевой полости 12, сообщенной с полостью 8. В плоскости, перпендикулярной оси подвижного элемента и проходящей через центр шарнира 10, установлена разделительная мембрана 13, герметично соединенная по периферии со стенкой резервуара 1, а центральной частью - со стенкой демпфирующего цилиндра 7. Мембрана 13 отделяет объем резервуара с демпфирующей жидкостью от зароторного пространства 14, которое в высокоскоростных роторных машинах, как правило, вакуумируется и в которое нежелательно попадание паров жидкости. Разделительная мембрана 13 выполнена из тонкой (толщиной менее 0,1 мм) металлической пластины или из эластомера.

Работа демпфера осуществляется следующим образом.

При приведении во вращение ротора 5 его низкочастотные колебания, например, колебания при разгоне от неуравновешенности ротора, и высокочастотные колебания на рабочей скорости вращения передаются через опорную иглу 4 и подпятник подшипника 3 на верхнюю часть 2 подвижного элемента, который качается относительно центра шарнира 10. При колебательных движениях подвижного элемента возникают упругая восстанавливающая сила от деформации центрирующих пружин 6 и демпфирующая сила при перемещениях жидкости в кольцевых полостях 8 и 12.

Выбором положения шарнира между торцами подвижного элемента можно достигнуть уравновешивания моментов от действия центрирующих, инерционных и демпфирующих сил на его верхнюю часть 2 и на его нижнюю часть (на демпфирующий цилиндр 7) и тем самым уменьшить боковые реакции в шарнире 10. Расположение центра вращения шарнира 10 в плоскости разделительной мембраны 13 уменьшает ее деформации при колебаниях подвижного элемента, так как только в этом случае достигаются наименьшие линейные отклонения линии соединения мембраны с подвижным элементом.

В результате простая конструкция демпфера обеспечивает эффективное подавление низкочастотных и высокочастотных колебаний ротора. Демпфер обладает стабильными демпфирующими характеристиками и высокой надежностью работы, при этом исключает попадание паров демпфирующей жидкости в рабочие полости ротора.

Источники информации
1. США, патент N 5090822, кл. F 16 C 25/00, опубл. 25.02.92.

2. Германия, патент N 1775168, кл. F 16 F 15/02, опубл. 22.02.73.

3. Япония, акцептованная заявка N 57-41619, кл. F 16 F 15/03, опубл. 03.09.82.

Изобретение касается конструкции демпфера колебаний высокоскоростного ротора с вертикальной осью вращения. Демпфер содержит подвижный элемент ступенчатой формы, шарнирно опертый в резервуаре с жидкостью. В верхней части подвижный элемент снабжен подшипником для опоры ротора и центрирующими пружинами, а нижняя его часть выполнена в виде открытого снизу полого демпфирующего цилиндра. Поперечная разделительная мембрана герметично соединена со стенками резервуара и демпфирующего цилиндра. Центр вращения шарнира совпадает с плоскостью разделительной мембраны, которая выполнена с малой жесткостью на изгиб. Демпфер, имея простую конструкцию, эффективно гасит как низкочастотные, так и высокочастотные колебания ротора, обладает высокой стабильностью демпфирующих характеристик и надежностью в работе. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Демпфер, содержащий резервуар, заполненный жидкостью, установленный в нем подвижный элемент ступенчатой формы, в верхней части которого расположен подшипник для опоры ротора, а нижняя утолщенная часть выполнена в виде открытого снизу полого демпфирующего цилиндра, поперечную разделительную мембрану, герметично соединенную со стенкой резервуара и подвижным элементом, и центральный опорный штырь, закрепленный на дне резервуара и расположенный с зазором в полости демпфирующего цилиндра, отличающийся тем, что он снабжен центрирующими пружинами, расположенными у верхней части подвижного элемента, и иглой, установленной в подвижном элементе между его верхней частью и демпфирующим цилиндром, поперечная разделительная мембрана соединена с нижней утолщенной частью подвижного элемента, причем игла опирается на внутреннюю опорную поверхность на торце центрального опорного штыря с образованием шарнира, центр вращения которого расположен в плоскости разделительной мембраны. 2. Демпфер по п.1, отличающийся тем, что разделительная мембрана выполнена с малой жесткостью на изгиб. 3. Демпфер по п.2, отличающийся тем, что разделительная мембрана выполнена из тонкой металлической пластины или из эластомера.