СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ И УРАВНОВЕШИВАНИЯ НАКЛОННОГО К ПЛОСКОСТИ ВРАЩЕНИЯ ДИСКА Российский патент 2006 года по МПК G01M1/38 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к средствам и способам уравновешивания жестких роторов на стадии проектирования, содержащих наклонные к плоскости вращения диски, и может быть использовано при разработке конструкций динамически уравновешенных роторов, структурно-неоднородных по материалу, в частности шлифовальных блоков с наклонными к плоскости вращения абразивными кругами.

Известны способы уравновешивания структурно-неоднородного жесткого ротора с наклонным диском [1, 2], в которых моментная неуравновешенность наклонного диска ротора компенсируется моментной неуравновешенностью уравновешивающего элемента, состоящего из двух косых шайб, прилегающих к диску с противоположных сторон. Эти способы различаются тем, что в способе [1] наружные торцы косых шайб выполнены прямыми, то есть перпендикулярными оси вращения, а в способе [2] наружные торцы косых шайб выполнены косыми и расположены в параллельных плоскостях, отклоненных от плоскости, перпендикулярной оси вращения, на угол, противоположный углу наклона торцевых плоскостей моментно-неуравновешенного наклонного диска. Способ [2] позволяет снизить материалоемкость конструкции ротора по сравнению со способом [1]. Однако используемые в этом способе расчетно-аналитические зависимости между параметрами функциональных элементов ротора более сложны, чем в способе [1].

Характерной особенностью способов уравновешивания [1] и [2], с точки зрения конструкции жесткого ротора, является то, что базирование наклонного диска и уравновешивающего элемента (пары косых шайб) осуществляется на общей цилиндрической поверхности несущей втулки шпинделя станка. Эта конструктивная особенность приводит к необходимости выполнять посадочное отверстие наклонного диска, в частности абразивного круга, соосным оси шпинделя станка, вследствие чего ось посадочного отверстия диска не перпендикулярна его торцевым плоскостям. Получение такого отверстия в абразивном круге может быть достигнуто либо в результате дополнительной технологической операции, с использованием стандартного круга прямой формы, либо в результате изготовления кругов специальной формы, например, путем отливки, а это требует дополнительных материальных затрат. Кроме того, способ крепления абразивных кругов, используемый в [1] и [2], в основном предназначен для кругов относительно небольшого наружного диаметра, используемых, в частности, при внутреннем шлифовании.

В случае абразивных кругов прямой формы и большого диаметра крепление последних на шпинделе станка осуществляется с использованием переходных фланцев [3]. Однако применение этого способа крепления в случае моментно-неуравновешенного абразивного круга непосредственно невозможно, поскольку в этом случае параметры элементов узла крепления не могут выбираться только по конструктивно-технологическим соображениям, а должны подчиняться определенным расчетно-аналитическим зависимостям, вытекающим из условий полной динамической уравновешенности всего шлифовального блока.

Наиболее близким к предлагаемому является способ уравновешивания структурно-неоднородного жесткого ротора с наклонным диском [1].

Однако этот способ обладает отмеченными выше недостатками, связанными со способом крепления наклонного диска, что не дает возможности полностью применить используемые в [1] расчетно-аналитические зависимости между параметрами ротора к узлам крепления дисков большого диаметра.

Заявляемое изобретение решает задачу расширения возможностей, повышения эффективности и удешевления способа крепления и уравновешивания наклонного к плоскости вращения диска, являющегося элементом структурно-неоднородного жесткого ротора. Это достигается тем, что каждая косая шайба уравновешивающего элемента снабжена внутренним кольцевым выступом, имеющим наружную цилиндрическую поверхность, ось которой наклонена к оси шпинделя под углом, равным углу наклона диска к плоскости вращения, а наклонный диск своим посадочным отверстием, ось которого перпендикулярна его торцевым плоскостям, установлен и закреплен на наружных цилиндрических поверхностях обоих кольцевых выступов косых шайб, образуя тем самым заданный угол наклона к плоскости вращения.

Причем между внутренними торцевыми плоскостями кольцевых выступов косых шайб образован гарантированный технологический зазор, а компенсация моментной неуравновешенности наклонного диска обеспечивается за счет выбора значений геометрических параметров уравновешивающего элемента и технологического зазора между внутренними торцевыми плоскостями кольцевых выступов косых шайб и достигается при условии:

где

- соответственно, центробежные моменты инерции наклонного диска и уравновешивающего элемента относительно центральных взаимно перпендикулярных осей, из которых ось z - есть ось вращения,

r, r₁ - радиусы наружных поверхностей вращения наклонного диска и уравновешивающего элемента, соответственно,

β - угол отклонения торцевых плоскостей наклонного диска от плоскости, перпендикулярной оси вращения,

h - толщина наклонного диска,

r₂ - радиус посадочного отверстия наклонного диска,

r₀ - радиус внутренней цилиндрической поверхности уравновешивающего элемента,

Δ - технологический зазор между внутренними торцевыми плоскостями косых шайб уравновешивающего элемента,

ρ₁, ρ - соответственно, плотности материалов наклонного диска и уравновешивающего элемента.

При этом выбор параметров уравновешивающего элемента подчиняют дополнительному условию преобразования эллипсоида инерции в форму эллипсоида вращения:

где

- осевые моменты инерции наклонного диска,

- осевые моменты инерции уравновешивающего элемента,

s₁ - его осевой размер (геометрический параметр).

Причем при выборе значений геометрических параметров уравновешивающего элемента пользуются зависимостями:

где μ=ρ₁/ρ - отношение плотностей материалов наклонного диска и уравновешивающего элемента.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена схема конструкции ротора, в которой реализован предлагаемый способ крепления и уравновешивания наклонного к плоскости вращения диска, включающая наклонный диск 1, уравновешивающий элемент из двух косых шайб 2 и 3, совместно посаженных на базовую втулку 4 шпинделя станка 5 и стянутых между собой резьбовым соединением. При этом плоскости А и Б косых шайб, имеющих идентичную форму, параллельны торцевым плоскостям диска 1, а поверхность В перпендикулярна этим плоскостям, и ее ось наклонена к оси шпинделя станка под углом β. Наружная поверхность Г соосна с осью вращения, а торцевая плоскость Д перпендикулярна этой оси.

На фиг.2 - схема к расчету геометрических параметров взаимно уравновешивающих элементов I (наклонный диск) и II (уравновешивающий элемент из двух косых шайб).

На фиг.3 - схема цилиндрической заготовки для образования косых шайб уравновешивающего элемента.

Способ крепления и уравновешивания наклонного диска осуществляют на этапе проектирования ротора в следующей последовательности. По технологическим соображениям выбирают геометрические параметры абразивного круга 1 (фиг.1), к которым относят: r, r₂, h, а также угол наклона β. Конструктивно принимают значение параметра r₀ (фиг.2). Затем определяют расчетным путем значения параметров r₁ и Δ, пользуясь зависимостями (7) и (8), которые являются следствиями условий (1) и (4) при учете (2), (3), (5), (6). Вначале находят значение параметра Δ, решив кубическое уравнение (7), а затем, пользуясь (8), определяют значение r₁.

Замечательным свойством конструкции, реализующей предложенный способ крепления и уравновешивания наклонного диска, является независимость значений r₁ и Δ от параметров s₁ и β, которые могут выбираться конструктивно при совместном выполнении двух условий: (1) и (4).

Изготовление основных элементов узла крепления наклонного диска, которыми являются две косые шайбы (фиг.1, 2), осуществляют, как показано на фиг.3, путем протачивания кольцевой канавки шириной h, для установки диска 1 (фиг.1), и последующего разрезания цилиндра с образованием прорези шириной Δ (фиг.3) при вращении его относительно повернутой оси z₁.

Последовательность расчета значений параметров узла крепления наклонного диска поясним примером.

Пусть требуется определить значения геометрических параметров динамически уравновешенного узла крепления наклонного диска при следующих исходных данных (фиг.2):

r=22,5 см, r₂=101,5 см, h=5 см, r₀=6,35 см, β=2°, μ=0,2.

Уравнение (7) принимает вид:

Его корни находим, пользуясь известной методикой [4].

Из трех корней этого уравнения реальным является следующий: Δ/h=7,9976417·10^-1, откуда Δ≈4 см.

Тогда из (8) находим: r₁≈15,1 см.

Параметр s₁ принимаем конструктивно: s₁≈9,0 см.

Если найденные значения потребуют корректировки, то следует повторить расчет при других значениях исходных параметров.

Предложенный способ крепления и уравновешивания моментно-неуравновешенного наклонного диска на стадии проектирования конструкции достаточно прост, легко реализуется и будет весьма полезен в практике машиностроения.

Источники информации

1. Патент RU 2153154 С1, кл. G 01 М 1/38, 20.07.2000. Бюл. №20.

2. Патент RU 2183824 С1, кл. G 01 М 1/32, 20.06.2002. Бюл. №17.

3. Обработка металлов резанием: Справочник технолога / А.А.Панов, В.В.Аникин, Н.Г.Бойм и др. Под общ. ред. А.А.Панова. - М.: Машиностроение, 1988. - С.378-403.

4. Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) / Перевод со второго американского переработанного издания И.Г.Арамановича, А.М.Березмана, И.А.Вайнштейна, Л.З.Румшинского, Л.Я.Цлафа. Под общ. ред. И.Г.Арамановича. - М.: Наука, 1973. - С.43-44.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для уравновешивания жестких роторов, содержащих, в частности, наклонные к плоскости вращения диски. Способ включает элементы установки и фиксации диска на шпинделе станка с помощью уравновешивающего элемента из пары косых шайб с прямыми наружными торцами, и прилегающих к наклонному диску с противоположных сторон. Значения геометрических параметров уравновешивающего элемента определяются расчетным методом. Каждая косая шайба уравновешивающего элемента снабжена внутренним кольцевым выступом, имеющим наружную цилиндрическую поверхность, ось которой наклонена к оси шпинделя под углом, равным углу наклона диска к плоскости вращения. Наклонный диск своим посадочным отверстием, ось которого перпендикулярна его торцевым плоскостям, установлен и закреплен на наружных цилиндрических поверхностях обоих кольцевых выступов косых шайб, образуя тем самым заданный угол наклона к плоскости вращения. Технический результат заключается в повышении эффективности и удешевлении крепления и уравновешивания наклонных к плоскости вращения дисков. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ крепления и уравновешивания наклонного к плоскости вращения диска, включающий элементы установки и фиксации диска на шпинделе станка, уравновешивающий элемент из пары косых шайб с прямыми наружными торцами, прилегающих к наклонному диску с противоположных сторон, и определение значений геометрических параметров уравновешивающего элемента расчетным методом, отличающийся тем, что каждая косая шайба уравновешивающего элемента снабжена внутренним кольцевым выступом, имеющим наружную цилиндрическую поверхность, ось которой наклонена к оси шпинделя под углом, равным углу наклона диска к плоскости вращения, а наклонный диск своим посадочным отверстием, ось которого перпендикулярна его торцевым плоскостям, установлен и закреплен на наружных цилиндрических поверхностях обоих кольцевых выступов косых шайб, образуя тем самым заданный угол наклона к плоскости вращения.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между внутренними торцевыми плоскостями кольцевых выступов косых шайб образован гарантированный технологический зазор, а компенсация моментной неуравновешенности наклонного диска обеспечивается за счет выбора значений геометрических параметров уравновешивающего элемента и технологического зазора между внутренними торцевыми плоскостями кольцевых выступов косых шайб и достигается при условии:

соответственно, центробежные моменты инерции наклонного диска и уравновешивающего элемента относительно центральных взаимно перпендикулярных осей, из которых ось z - есть ось вращения,

r, r₁ - радиусы наружных поверхностей вращения наклонного диска и уравновешивающего элемента, соответственно,

β - угол отклонения торцевых плоскостей наклонного диска от плоскости, перпендикулярной оси вращения,

h - толщина наклонного диска,

r₂ - радиус посадочного отверстия наклонного диска,

r₀ - радиус внутренней цилиндрической поверхности уравновешивающего элемента,

Δ - технологический зазор между внутренними торцевыми плоскостями косых шайб уравновешивающего элемента,

ρ₁, ρ - соответственно, плотности материалов наклонного диска и уравновешивающего элемента.

где

- осевые моменты инерции наклонного диска,

- осевые моменты инерции уравновешивающего элемента,

s₁ - его осевой размер (геометрический параметр).

где μ=ρ₁/ρ - отношение плотностей материалов наклонного диска и уравновешивающего элемента.