СПОСОБ УРАВНОВЕШИВАНИЯ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНОГО ЖЕСТКОГО РОТОРА С НАКЛОННЫМ ДИСКОМ Российский патент 2000 года по МПК G01M1/38 

Изобретение относится к машиностроительному производству, а именно к способам и средствам уравновешивания роторов, и может быть использовано при проектировании динамически уравновешенных структурно-неоднородных жестких роторов, в частности, шлифовальных блоков с наклонным к плоскости вращения кругом, а также при их доводочной балансировке.

В известных способах [1] моментная неуравновешенность ротора устраняется при балансировке с помощью двух корректирующих масс, располагаемых в двух плоскостях коррекции. Корректирующие массы присоединяют или удаляют или перемешивают таким образом, чтобы главная центральная ось инерции приближалась к оси ротора. Эти способы могут использоваться как для уравновешивания ротора на стадии проектирования [2], так и при окончательной его балансировке на балансировочных станках [1].

К недостаткам способов, требующих введения в конструкцию корректирующих масс, относится их ограниченность в применении. Эти способы целесообразно использовать применительно к конструкциям, не имеющим явно выраженной неуравновешенности конструктивного характера, или в случаях, если эта неуравновешенность характеризуется малыми значениями дисбалансов и их моментов, например, вызванных технологическими отверстиями [2]. Кроме того, размещение корректирующих масс может оказаться затруднительным по конструктивным соображениям, например, в малогабаритных системах при большой моментной неуравновешенности, обусловленной особенностями конструкции ротора. К таким конструкциям, в частности, можно отнести шлифовальные головки с наклонным к плоскости вращения кругом [3, 4].

В известном устройстве для балансировки шлифовального круга на шпинделе станка [5], содержащем по меньшей мере один подвижный груз, расположенный в полости шпинделя, связанную с грузом соосную шпинделю составную тягу и механизм управления перемещением груза, неуравновешенность ротора, включая моментную, уменьшают за счет регулировки положения груза относительно оси вращения ротора.

Недостатками этого способа уравновешивания являются невозможность достижения полной уравновешенности ротора, а также сложность конструкции механизма управления подвижным грузом. Кроме того, применение этого способа уменьшения моментной неуравновешенности к роторам с явно выраженной моментной неуравновешенностью, обусловленной наклоном диска к плоскости вращения [3], не может быть эффективным из-за ограниченности массы подвижного груза и его расположения в полости шпинделя.

Наиболее близким к предлагаемому является расчетный способ уравновешивания жесткого ротора на стадии проектирования с последующей доводочной балансировкой на балансировочном станке [2].

Однако известный способ, разработанный с целью устранения динамической неуравновешенности ротора, вызванной, в основном, технологическими отверстиями, несмотря на общность подхода к решению задачи, не может быть непосредственно использован в применении к жесткому ротору с наклонным к оси ротора диском из-за иных аналитических выражений, характеризующих неуравновешенность ротора, и особенностей его конструкции.

Заявляемое изобретение решает задачу устранения моментной неуравновешенности структурно-неоднородного жесткого ротора с наклонным диском на стадии проектирования и последующей после его изготовления доводочной балансировки с учетом конструктивных особенностей ротора. Это достигается тем, что внутренняя посадочная поверхность диска выполнена коаксиальной относительно оси вращения, а для его фиксации в рабочем положении используются две боковые косые шайбы, моментная неуравновешенность которых равна по величине и противоположна по знаку моментной неуравновешенности диска в соответствии с зависимостью:
JIyz

= -JIIyz, (1)
где


соответственно центробежные моменты инерции наклонного диска и двух косых шайб относительно перпендикулярных осей y, z, из которых ось z есть ось вращения,

масса наклонного диска,

масса фиктивного диска, дополняющего косые шайбы до общего цилиндра,
r - наружный радиус диска,
S - размер диска вдоль оси вращения z,
r₀ - радиус посадочного отверстия,
r₁ - наружный радиус косых шайб,
β - угол наклона диска к плоскости вращения,
соответственно плотности материалов диска и косых шайб.

k₀ = r₀/r; k₀₁ = r₀/r₁-
безразмерные параметры.

При этом геометрические параметры ротора выбирают такими, чтобы они удовлетворяли условию:

После изготовления ротора осуществляют доводочную балансировку ротора на балансировочном станке с последующим снятием слоя материала либо с наружной поверхности диска, либо с наружной поверхности косых шайб в соответствии с формулами:


где Δ и Δ₁ - толщина снимаемого слоя материала, соответственно, с диска или косых шайб,
R, R₁ - максимальные значения реакций опор ротора на балансировочном станке, соответственно, для случая и случая
L - расстояние между опорами при балансировке,
ω - угловая скорость вращения ротора при балансировке.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана схема конструкции структурно-неоднородного жесткого ротора с наклонным к плоскости вращения диском, включающая: наклонный диск 1, посаженный на втулку 2, установленную на шпинделе 3, и две косые шайбы 4 и 5, стянутые гайкой 6. Причем плотности материалов диска 1 и шайб 4, 5 различны.

На фиг. 2 - схема наклонного диска.

На фиг. 3 - схема взаимного расположения двух косых шайб.

На фиг. 4 - схема к расчету снимаемого слоя материала при
На фиг. 5 - аналогичная схема для случая
Способ осуществляют следующим образом.

На стадии проектирования ротора определяют его параметры в следующей последовательности.

Находят отношение плотностей материалов диска и косых шайб:
ρ₁/ρ₂.
При этом целесообразно воспользоваться экспериментальным способом определения величин ρ₁ и ρ₂.

По формуле (7) вычисляют значение параметра k₀₁, выбрав значение k₀ по конструктивным соображениям. Определяют радиусы наружных поверхностей диска и косых шайб по формулам (6).

В случае необходимости найденные геометрические размеры легко изменить с использованием формулы (7).

Выбор осевых размеров косых шайб может быть подчинен конструктивным или иным соображениям.

Последовательность расчета поясним примером. Пусть требуется подобрать параметры динамически самоуравновешенного ротора при следующих исходных данных:
ρ₁/ρ₂ = 0,2, k₀ = 0,3.
По формуле (7) находим k₀₁ = 0,445.

Тогда согласно (6) r = 100 мм, r₁ = 67,4 мм.

После изготовления диска и косых шайб их монтируют на вспомогательную цилиндрическую оправку, стягивают между собой и устанавливают на шпиндель балансировочного станка. При вращении ротора с угловой скоростью ω обнаруживают остаточную моментную неуравновешенность. Находят амплитудные значения реакций опор, вызванных моментной неуравновешенностью ротора, и определяют источник возникновения моментной неуравновешенности.

По формуле (8) или (9), в зависимости от обнаруженного при балансировке источника моментной неуравновешенности, определяют толщину подлежащего удалению слоя материала и снимают его режущим инструментом.

Рассмотрим пример.

Пусть балансировка проведена на станке при L = 250 мм и h = 3000 об/мин ( ω =314 с^-1). Обнаружена моментная неуравновешенность, источником которой явились косые шайбы, т.е. Причем R₁ = 0,02 кН вызвано моментной неуравновешенностью.

При параметрах ротора, равных следующим значениям: ρ₂ = 7,85 • 10³ кг/м³, r₁ = 67,4 мм, S = 30 мм, β = 15^o, по формуле (9) находим:

Предположим, что причиной моментной неуравновешенности явился наклонный диск, т.е. и R = 0,02 кН. Тогда для r = 100 мм и ρ₁ = 1,57 • 10 кг/м³ при тех же значениях остальных параметров по формуле (8) находим:

Предложенный способ уравновешивания структурно-неоднородного по материалу жесткого ротора достаточно прост и доступен для реализации при различных масштабах выпуска, поскольку он не требует применения сложного и дорогостоящего балансировочного оборудования. Кроме того, возможность предварительного уравновешивания ротора на стадии проектирования в предложенном конструктивном варианте исполнения деталей ротора, существенно упрощает и удешевляет конструкцию ротора.

Источники информации
1. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. совет: В.Н. Челомей (пред. ) - М.: Машиностроение, 1981, - т. 6. Защита от вибрации и ударов / Под ред. К.В. Фролова, 1981, - С. 35-82.

2. Кобяков Е.Т., Степанов Ю.С. К вопросу балансировки роторов на стадии проектирования // Совершенстование конструирования и технологии производства приборов, машин, механизмов: Материалы научно-технической конференции. - Орел: Областное правление союза НИО СССР, 1990. - С. 131-140. - прототип.

3. Патент РФ RU 2042495 C1, кл. B 24 B 45/00, 1995, Бюл. N 24.

4. Патент РФ RU 2006804 C1, кл. G 01 M 1/30, 1994, Бюл. N 2.

5. А. с. СССР US 1036507 A, кл. B 24 B 45/00, 1983, Бюл. N 31.

Использование: для устранения моментной неуравновешенности структурно-неоднородного по материалу жесткого ротора с наклонным к плоскости вращения диском на стадии проектирования и последующей после его изготовления доводочной балансировки с учетом конструктивных особенностей ротора. Сущность: внутренняя посадочная поверхность диска выполнена коаксиальной относительно оси вращения, а для его фиксации в рабочем положении используются две боковые косые шайбы, моментная неуравновешенность которых, характеризуемая центробежным моментом инерции, равна по величине и противоположна по знаку моментной неуравновешенности диска. Причем геометрические параметры ротора выбирают такими, чтобы соблюдалась зависимость, вытекающая из равенства величин центробежных моментов инерции наклонного диска и косых шайб. По результатам доводочной балансировки на балансировочном станке вычисляют толщину слоя материала, подлежащего удалению либо с наружной поверхности диска, либо с наружной поверхности косых шайб, в зависимости от источника остаточной моментной неуравновешенности. Технический результат - упрощение и удешевление конструкции ротора. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ уравновешивания структурно-неоднородного жесткого ротора с наклонным диском, включающий определение геометрических параметров ротора расчетным методом и доводочную балансировку, отличающийся тем, что внутренняя посадочная поверхность диска выполнена коаксиальной относительно оси вращения, а для его фиксации в рабочем положении используют две боковые косые шайбы, моментная неуравновешенность которых равна по величине и противоположна по знаку моментной неуравновешенности диска в соответствии с зависимостью
JIyz

= -JIIyz,

- соответственно, центробежные моменты инерции наклонного диска и двух косых шайб относительно перпендикулярных центральных осей y и z, из которых ось z есть ось вращения,

масса наклонного диска,

масса фиктивного диска, дополняющего косые шайбы до общего цилиндра,
r - наружный радиус диска;
S - размер диска вдоль оси вращения z;
r₀ - радиус посадочного отверстия;
r₁ - наружный радиус косых шайб;
β - угол наклона диска к плоскости вращения;
ρ₁,ρ₂ - соответственно, плотности материалов диска и косых шайб;
K₀ = r₀/r, K₀₁ = r₀/r₁ - безразмерные параметры. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что геометрические параметры ротора выбирают так, чтобы соблюдалось условие

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что доводочную балансировку осуществляют путем снятия слоя материала либо с наружной поверхности диска, либо с наружной поверхности косых шайб в соответствии с формулами


где Δ и Δ₁ - толщина снимаемого слоя материала, соответственно, с диска или косых шайб;
R, R₁ - максимальные значения реакций опор ротора на балансировочном станке, соответственно, для случая и случая
L - расстояние между опорами при балансировке;
ω - угловая скорость вращения ротора при балансировке.