САМОБАЛАНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК F16F15/32 G01M1/38 G01M1/02 

Изобретение относится к балансировочной технике и может быть использовано для самобалансировки вращающихся масс в динамическом режиме в диапазоне закритических /выше резонансных/ оборотов.

Известно множество конструкций самобалансирующих устройств, объединенных в класс пассивных автобалансиров, принцип построения которых основан на использовании эффекта Лаваля-Сирля /de Laval, Thearle/, заключающегося в способности подвижных масс, связанных с вращающимся валом, при определенных условиях занимать положения контрдисбаланса, т.е. компенсировать исходную несбалансированность вращающейся системы ротор-балансир в диапазоне закритических оборотов/. Достоинством подобных устройств является способность балансировать в динамическом режиме заранее неизвестный или изменяющийся во время работы дисбаланс при относительно небольшой сложности конструкции.

К недостаткам пассивных автобалансиров следует отнести тенденцию к внесению дополнительной несбалансированности при разгоне /в диапазоне докритических оборотов/ и, как правило, низкую стабильность работы. Тенденция к увеличению исходного дисбаланса принципиально обусловлена природой работы пассивного автобалансира при разгоне, а нестабильность работы возникает из-за разброса начальных условий движения системы ротор-балансир от пуска к пуску. Преодоление этих недостатков для большинства схем построения пассивных автобалансиров требует создания дополнительных "обслуживающих" устройств, что приводит к неадекватному усложнению конструкций и, как следствие, к резкому сокращению возможности их реализации [1,2,3].

Более перспективным в этом плане является самобалансирующее устройство с нелинейным демпфированием подвижных противовесов - прототип, содержащее корпус, имеющий замкнутую кольцевую полость прямоугольного поперечного сечения с гладкой внутренней поверхностью, внутри которой размещены шаровые противовесы, выполненные из пластически деформируемого при соударениях материала. Диаметр шаровых противовесов составляет не более 1/2 высоты внешней стенки полости /обода/, а количество шаровых противовесов таково, что, касаясь друг друга, они занимают от 1/8 до 1/2 площади обода. Благодаря использованию большого количества "легких" противовесов и нелинейному демпфированию их движения устройство-прототип при простоте конструкции обеспечивает стабильность работы балансирующего устройства без каких-либо дополнительных мер [4].

Однако в устройстве сохраняется тенденция к внесению дополнительной несбалансированности ротора при разгоне. Неблагоприятные ситуации могут также возникать при горизонтальной ориентации оси вращения ротора, когда шаровые противовесы, скатившиеся до начала вращения в нижнюю часть полости, из-за гладкости внутренней поверхности полости с началом вращения не могут сразу распределиться по всей поверхности обода и пробуксовывают в нижней его части компактной группой в несколько слоев, что приводит к затягиванию процесса балансировки.

Задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении равной работоспособности автобалансира при любой ориентации оси вращения ротора и в повышении стабильности и эффективности работы за счет устранения пробуксовки шаровых противовесов на ободе при разгоне ротора с горизонтальной осью вращения и нейтрализации тенденции к внесению дополнительной несбалансированности в диапазоне докритических оборотов ротора.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее корпус, имеющий замкнутую кольцевую полость прямоугольного поперечного сечения с гладкой внутренней поверхностью, внутри которой размещены шаровые противовесы, выполненные из пластически деформируемого при соударениях материала, вводится активатор начального движения шаровых противовесов, предназначенный для принудительного равномерного распределения шаровых противовесов в кольцевой полости на первых же оборотах ротора при разгоне, выполненный в виде одного или нескольких симметрично расположенных относительно центра кольцевой полости выступов произвольной формы на боковой стенке кольцевой полости.

Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически изображено самобалансирующее устройство и расположение шаровых противовесов в кольцевой полости при вертикальной /а/ и горизонтальной /в/ ориентации оси вращения ротора; на фиг.2 изображено расположение шаровых противовесов на ободе в процессе разгона; на фиг.3 схематически изображено движение шаровых противовесов в процессе балансировки.

Самобалансирующее устройство содержит корпус 1, имеющий кольцевую полость 2 прямоугольного поперечного сечения, размещенные в ней шаровые противовесы 3, изготовленные из материала, способного к пластической деформации при соударениях в условиях работы устройства, и активатора начального движения шаровых противовесов, выполненного в виде одного или нескольких симметрично расположенных относительно центра кольцевой полости 2 выступов 4 /стержней/ произвольной формы на боковой /боковых/ стенке кольцевой полости 2 /фиг. 1/. Стержни 4 активатора располагаются внутри кольцевой полости 2 таким образом, чтобы просвет между ними и ободом был не меньше диаметра шаровых противовесов 3, т.е. так, чтобы активатор не влиял на движение шаров 3 по ободу кольцевой полости 2. Высота выступов 4 не имеет существенного значения и может варьироваться в пределах от величины диаметра шаров 3 до ширины обода кольцевой полости 2. Число выступов 4 активатора также некритично для работы устройства, однако наличие их в кольцевой полости 2 не должно существенно ограничивать свободу перемещений шаровых противовесов 3. Шаровые противовесы 3, расположенные на ободе в один слой, касаясь друг друга, занимают от 1/8 до 1/2 площади обода, а их диаметр должен быть менее 1/2 ширины обода.

Самобалансирующее устройство работает следующим образом.

В исходном положении, до начала вращения ротора, шаровые противовесы 3 располагаются в кольцевой полости 2 либо произвольно /при вертикальной ориентации оси вращения вала/ /фиг.1,а/, либо сгруппированы в нижней части обода кольцевой полости 2 /при наклонной или горизонтальной ориентации оси вращения/ /фиг.1,в/. С началом вращения выступы 4 активатора ударяют по всем шаровым противовесам 3, не касающимся обода кольцевой полости 2, в результате чего все шаровые противовесы 3 на первых же оборотах ротора разбрасываются по всему ободу и, далее, под действием центробежных сил располагаются на нем в один слой и в несколько рядов /фиг.2/. На этом действие активатора прекращается, т.к. все шаровые противовесы 3 располагаются на ободе, в один слой, и просвет не позволяет выступам 4 активатора влиять в дальнейшем на их поведение. При достижении ротором критических /резонансных/ оборотов в системе ротор-балансир возникают силы, стремящиеся переместить подвижные массы вдоль обода к положению уравновешивания, имеющегося в системе дисбаланса [1,2] , в результате чего шаровые противовесы 3 начинают перемещаться по ободу кратчайшими путями к положению контрдисбаланса двумя встречными потоками /фиг. 3/. В зоне положения контрдисбаланса происходит лавинообразное многократное столкновение шаровых противовесов 3 обоих потоков, сопровождающееся потерей кинетической энергии движения шаров на пластическую деформацию их при соударениях и приводящее к формированию неподвижной относительно обода балансирующей группы шаровых противовесов 3. При накоплении полной балансирующей массы противовесов поле балансирующих сил исчезает, а не вошедшие в балансирующую группу шаровые противовесы 3, потеряв тенденцию направленного движения и рассеяв свою кинетическую энергию в хаотических соударениях друг с другом и со стенками, под действием трения окончательно останавливаются на ободе случайным образом, не нарушая установившейся балансировки. Это состояние сохраняется далее во всем диапазоне оборотов вращения ротора почти до полной остановки.

Процесс самобалансирования возобновляется всякий раз при изменении дисбаланса в процессе работы механизма. При непрерывном изменении дисбаланса компенсация его происходит скачками, частота которых определяется чувствительностью устройства.

Многократные случайные соударения практически не изменяют шарообразную форму противовесов 3.

Предлагаемое устройство, сохранив достоинства прототипа - эффективность и точность балансировки при простоте и универсальности конструкции - обеспечивает равную работоспособность автобалансира при любой ориентации оси вращения ротора, повышает стабильность процесса балансировки вследствие достижения идентичности /в вероятностном аспекте/ начальных условий движения системы ротор-балансир при повторных запусках и значительно снижает вероятность внесения устройством дополнительного дисбаланса при разгоне в диапазоне докритических оборотов за счет автоматического принудительного разбрасывания активатором шаровых противовесов по всему ободу кольцевой полости в самом начале вращения ротора. Результатом изобретения является расширение области применения устройства.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ден-Гартог Дж.П., Механические колебания, перев. с англ., М.:Физматгиз, 1960, стр.319-321.

2. Блехман И. И. , Синхронизация динамических систем, М.: Наука, 1971, стр.66-69, стр.791-796.

3. Справочник по балансировке под ред. проф. М.Е. Левита, М.: Машиностроение, 1992, стр.239-257.

4. Патент РФ 2063011 "Самобалансирующее устройство", автор В.М. Безпечный, G 01 M 1/02, Бюл. 18, 1996г. - прототип.

Изобретение относится к балансировочной технике и может быть использовано для самобалансировки вращающихся масс в динамическом режиме в диапазоне закритических оборотов. Устройство содержит корпус, имеющий замкнутую кольцевую полость поперечного сечения, внутри которой размещены шаровые противовесы, выполненные из пластического материала и имеющие диаметр не более 1/2 высоты внешней стенки кольцевой полости, при этом оно снабжено активатором начального движения шаровых противовесов в виде выступов на боковой стенке кольцевой полости, оставляющих просвет между ними и внешней стенкой кольцевой полости не менее диаметра шарового противовеса. Технический результат - устранение пробуксовки противовесов при разгоне ротора. 3 ил.

Самобалансирующее устройство для вращающихся масс, содержащее корпус, имеющий замкнутую кольцевую полость прямоугольного поперечного сечения, внутри которой размещены шаровые противовесы, выполненные из пластически деформируемого при соударениях материала и имеющие диаметр не более 1/2 высоты внешней стенки кольцевой полости, отличающееся тем, что в устройство введен активатор начального движения шаровых противовесов в виде выступов на боковой стенке кольцевой полости, оставляющих просвет между ними и внешней стенкой кольцевой полости не менее диаметра шарового противовеса.