САМОБАЛАНСИРУЮЩИЙСЯ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ РОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ С ГАЗОСТАТИЧЕСКИМ ОПОРНЫМ УЗЛОМ Российский патент 2007 года по МПК B04B9/00 F16F15/32 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к самобалансирующимся роторным механизмам с вертикальной осью вращения ротора и газостатическим опорным узлом, и может найти применение в различных отраслях машиностроения: дробилки и мельницы с роторным рабочим органом, центрифуги и сепараторы различного назначения, центробежные испытательные стенды, турбины, электрогенераторы, двигатели, станки и другие роторные установки с, преимущественно, высокоскоростным рабочим органом для осуществления технологических процессов, вызывающих значительную динамическую неуравновешенность ротора.

Известен вертикальный роторный механизм с газостатической опорой (роторный механизм центробежной установки), содержащий рабочий орган, газостатический опорный узел с соответствующими друг другу по форме несущими поверхностями (в виде части сферы), пята которого непосредственно и жестко соединена с рабочим органом, образуя ротор, а подпятник которого имеет отверстие для подвода газообразного рабочего тела к несущим поверхностям, систему газообеспечения, связанную с центральным отверстием подпятника, и привод с гибкой механической передачей, состоящей из трех валов, последовательно соединенных с возможностью пересечения осей, один из которых выполнен телескопическим (Патент РФ №2183136, В02С 13/14, публ. 10.06.02).

Однако данная роторная установка обладает недостаточно высокой надежностью, т.к. при возникновении режимного дисбаланса в рабочем органе и при резонансных частотах вращения возникают значительные радиально-угловые колебания ротора, которые при осуществлении технологических процессов на высоких скоростях вращения могут привести к ударам и трению пяты о подпятник и выходу газостатического опорного узла из строя. Эти недостатки связаны со слабой радиальной и угловой устойчивостью ротора, вызванной отсутствием радиальной опоры, и невозможностью обеспечить самобалансировку ротора из-за жесткого соединением рабочего органа и пяты.

Известна центробежная установка, содержащая корпус и вертикальный роторный механизм с газостатической опорой, состоящий из рабочего органа, газостатического опорного узла с соответствующими друг другу по форме несущими поверхностями (в виде части сферы), пята которого жестко соединена с рабочим органом посредством вала, образуя ротор, а подпятник которого имеет отверстие для подвода газообразного рабочего тела к несущим поверхностям, системы газообеспечения, связанной с отверстием подпятника, и привода с гибкой механической передачей, состоящей из трех валов, последовательно соединенных с возможностью пересечения осей, один из которых выполнен телескопическим, при этом установка содержит механический опорный узел, состоящий из подшипникового узла, установленного на валу, соединяющего рабочий орган и пяту, и упругого опорного узла, соединяющего подшипниковый узел и корпус (Патент РФ №2220782, В04В 9/04, публ. 10.01.2004).

Однако данная роторная установка обладает недостаточно высокой надежностью работы, т.к. при режимном дисбалансе рабочего органа и резонансных частотах вращения возникает неуравновешенность ротора, обуславливающая высокоамплитудные колебания ротора и, соответственно, высокие переменные динамические нагрузки в радиальном и угловом направлениях на подшипниковый узел и упругий опорный узел и их достаточно быстрый выход из строя. Эти недостатки связаны с тем, что из-за жесткого соединения рабочего органа и пяты невозможно обеспечить достижение технического результата, заключающегося в обеспечении самобалансировки рабочего органа и пяты независимо друг от друга, и этим предотвратить радиальные и угловые колебания ротора.

Известен также самобалансирующийся вертикальный роторный механизм с газостатической опорой, содержащий рабочий орган, газостатический опорный узел с соответствующими друг другу по форме несущими поверхностями, пята которого и рабочий орган образуют ротор, а подпятник которого имеет отверстие для подвода газообразного рабочего тела к несущим поверхностям, фигурную раму, расположенную между рабочим органом и пятой и связанную с ними посредством гибких элементов, узел коррекции дисбаланса рабочего органа и узел коррекции дисбаланса пяты, каждый из которых состоит из корректирующей массы и гибких элементов, связывающих корректирующую массу с рабочим органом и пятой, соответственно, и взаимодействующих с фигурной рамой, причем места соединения гибких элементов узлов коррекции дисбаланса рабочего органа и пяты с рабочим органом и пятой, соответственно, расположены ближе к оси вращения ротора по сравнению с местами их взаимодействия с фигурным основанием, систему газообеспечения, связанную с отверстием подпятника, и привод с гибкими механическими передачами для придания вращательного момента от электродвигателя пяте, от пяты фигурной раме и от фигурной рамы рабочему органу, каждая из которых состоит из трех валов, последовательно соединенных с возможностью пересечения осей, один из которых выполнен телескопическим, при этом корректирующая масса узлов коррекции дисбаланса рабочего органа и пяты выполнена в виде жесткого кольца (Патент РФ №2259239, В04В 9/12, публ. 27.08.2005).

Однако в известном механизме из-за выполнения корректирующей массы в виде жесткого кольца корректирующая масса смещается на такое же расстояние, что и рабочий орган и пята, соответственно, что не позволяет добиться высокой эффективности самобалансировки рабочего органа и пяты.

Задача изобретения состоит в повышении эффективности самобалансировки рабочего органа и пяты за счет обеспечения смещения части корректирующей массы, расположенной на стороне, противоположной вектору дисбаланса рабочего органа и пяты, на большее расстояние, чем расстояние, на которое смещаются рабочий орган и пята, соответственно.

Сущность изобретения заключается в том, что для решения поставленной задачи путем указанного технического эффекта самобалансирующийся вертикальный роторный механизм с газостатическим опорным узлом, содержащий рабочий орган, газостатический опорный узел с соответствующими друг другу по форме несущими поверхностями, пята которого и рабочий орган образуют ротор, а подпятник которого имеет отверстие для подвода газообразного рабочего тела к несущим поверхностям, фигурную раму, расположенную между рабочим органом и пятой и связанную с ними посредством гибких элементов, узел коррекции дисбаланса рабочего органа и узел коррекции дисбаланса пяты, каждый из которых состоит из корректирующей массы и гибких элементов, связывающих корректирующую массу с рабочим органом и пятой, соответственно, и взаимодействующих с фигурной рамой, причем места соединения гибких элементов узлов коррекции дисбаланса рабочего органа и пяты с рабочим органом и пятой, соответственно, расположены ближе к оси вращения ротора по сравнению с местами их взаимодействия с фигурной рамой, систему газообеспечения, связанную с отверстием подпятника, и привод с гибкими механическими передачами для придания вращательного момента от электродвигателя пяте, от пяты фигурной раме и от фигурной рамы рабочему органу, каждая из которых состоит из трех валов, последовательно соединенных с возможностью пересечения осей, один из которых выполнен телескопическим, отличается тем, что корректирующая масса узлов коррекции дисбаланса рабочего органа и пяты выполнена в виде нескольких грузов, соединенных друг с другом в кольцо упругими элементами, например пружинами растяжения.

Изобретение поясняется чертежами: фиг.1 - общий вид механизма в разрезе; фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; фиг.4 - разрез В-В на фиг.1; фиг.5 - общий вид механизма в продольном разрезе с созданной газостатической опорной подушкой и с рабочим органном и пятой, находящимися в состоянии динамической уравновешенности во время вращения; фиг.6 - общий вид механизма в продольном разрезе с созданной газостатической опорной подушкой и с рабочим органом и пятой, находящимися в состоянии дисбаланса во время вращения.

Самобалансирующийся вертикальный роторный механизм с газостатическим опорным узлом (фиг.1) содержит рабочий орган 1, снабженный опорным элементом 2, фигурную раму 3, связанную с опорным элементом 2 рабочего органа 1 гибкими элементами 4, газостатический опорный узел с соответствующими друг другу по форме несущими поверхностями, например, в виде части сферы, пята 5 которого связана с фигурной рамой 3 гибкими элементами 6, а подпятник 7 которого имеет отверстие 8 для подвода газообразного рабочего тела к несущим поверхностям, систему газообеспечения (не показана), связанную с отверстием 8 подпятника 7, узел коррекции дисбаланса рабочего органа 1 (фиг.2 и фиг.3), состоящий из корректирующей массы, выполненной в виде нескольких грузов 9, 10, 11, 12, 13, 14, соединенных друг с другом в кольцо упругими элементами 15 и связанных с рабочим органом 1 гибкими элементами 16, 17, 18, 19, 20, 21, взаимодействующими с фигурной рамой 3, узел коррекции дисбаланса пяты 5 (фиг.4), состоящий из корректирующей массы, выполненной в виде нескольких грузов 22, 23, 24, 25, 26, 27, соединенных друг с другом в кольцо упругими элементами 28 и связанных с пятой 5 гибкими элементами 29, 30, 31, 32, 33, 34, взаимодействующими с фигурной рамой 3, привод (не показан) с гибкой механической передачей 35 для передачи вращательного момента от привода пяте 5, гибкую механическую передачу 36 для передачи вращательного момента от пяты 5 фигурной раме 3 и гибкую механическую передачу 37 для передачи вращательного момента от фигурной рамы 3 рабочему органу 1.

Гибкие элементы 4 и 6 могут быть выполнены в виде тросов или цепей. Упругие элементы 15 и 28 могут быть выполнены в виде пружин растяжения, например, цилиндрических, с требуемой для данного роторного механизма удельной жесткостью. Гибкие элементы 16, 17, 18, 19, 20, 21, 29, 30, 31, 32, 33, 34 могут быть выполнены, например, в виде тросов. При этом места их соединения с рабочим органом 1 и пятой 5 расположены ближе к оси вращения ротора по сравнению с местами их взаимодействия с фигурной рамой 3.

Каждая из гибких механических передач 35, 36, 37 состоит из трех валов, последовательно соединенных с возможностью пересечения осей, один из которых выполнен телескопическим.

Изобретение используют следующим образом.

Включают систему газообеспечения, содержащую, например, вентилятор или компрессор, из которой газообразное рабочее тело через отверстие 8 подпятника 7 поступает к несущим поверхностям газостатического опорного узла. Между несущими поверхностями пяты 5 и подпятника 7 создается избыточное давление, под действием которого ротор (рабочий орган 1, фигурная рама 3 и пята 5) приподнимается ("всплывает"), образуя эксплуатационный зазор с газостатической опорной подушкой.

Затем включают привод (электродвигатель) с гибкой механической передачей 35 и пяте 5 придают вращение с требуемой для данного роторного механизма технологической скоростью. Посредством гибких механических передач 36 и 37 вращение с такой же скоростью придается фигурной раме 3 и рабочему органу 1, соответственно. При этом возникает центробежная сила, под действием которой грузы 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 22, 23, 24, 25, 26, 27 перемещаются в сторону от оси вращения ротора, т.к. связаны в кольцо посредством пружин растяжения 15 и 28, соответственно (фиг.5).

Посредством вращающегося рабочего органа 1 осуществляют различные центробежные и другие технологические процессы. В качестве рабочего органа 1 роторный механизм может содержать ускоритель материала ударно-центробежных дробилок и мельниц, рабочий орган других роторных дробилок и мельниц, барабан центрифуг или сепараторов различного назначения, рабочий орган центробежных испытательных стендов и центробежных литейных машин, паровую или газовую турбину и другие роторные рабочие органы.

Во время холостого вращения, при осуществлении технологического процесса и на резонансных частотах вращения в рабочем органе 1 (например, ускорителе материала ударно-центробежной дробилки или мельницы) может проявиться остаточный или режимный дисбаланс (фиг.6) вследствие возникновения динамической неуравновешенности.

Под действием дисбаланса рабочий орган 1 будет смещаться в направлении вектора дисбаланса независимо от фигурной рамы 3 и пяты 5 благодаря тому, что связан с фигурной рамой 3 гибкими элементами 4 и приобретает вращение посредством гибкой механической передачи 37. Смещаясь, рабочий орган 1 освобождает гибкие элементы 18, 19, 20 и тянет за собой гибкие элементы 16, 17, 21. При этом грузы 9, 10, 14 смещаются в направлении, прямо противоположном направлению смещения рабочего органа 1, и в сторону от оси вращения. Их угловая скорость возрастает и, соответственно, возрастает центробежная сила, воздействующая на эти грузы. Грузы 18, 19, 20 смещаются в направлении, прямо противоположном направлению смещения рабочего органа 1, но в сторону к оси вращения. Их угловая скорость снижается и, соответственно, снижается центробежная сила, воздействующая на эти грузы. Благодаря тому, что корректирующая масса выполнена из нескольких грузов, связанных упругими элементами, грузы 9, 10, 14 смещаются в сторону от оси вращения на большее расстояние, чем смещается дисбалансный рабочий орган 1. Таким образом корректирующая масса приобретает состояние дисбаланса, сила которого больше, чем сила дисбаланса рабочего органа 1, и с вектором, противоположным вектору дисбаланса рабочего органа 1. Это позволяет повысить эффективность самобалансировки рабочего органа 1, который перестает смещаться, когда сила дисбаланса грузов 9, 10, 14 сравняется с силой его дисбаланса.

При устранении динамической неуравновешенности рабочий орган 1 под действием сил самоцентрирования (Ишлинский А.Ю. Прикладные задачи механики. Книга 2. Механика упругих и абсолютно твердых тел. М.: Наука, 1986. - С.123) сместится в исходное положение. При этом гибкие элементы 16, 17, 21 освобождаются, гибкие элементы 18, 19, 20 перемещаются за рабочим органом 1, а корректирующая масса перемещается в исходное положение и приобретает относительно оси вращения ротора состояние баланса.

При возникновении дисбаланса в пяте 5 (фиг.6). Благодаря тому, что пята 5 связана с фигурной рамой 3 гибкими элементами 6, приобретает вращение посредством гибкой механической передачи 35 и передает вращательный момент фигурной раме 3 посредством гибкой механической передачи 36, она будет смещаться в направлении вектора дисбаланса независимо от фигурной рамы 3 и рабочего органа 1. При этом гибкие элементы 29, 30, 34 освобождаются, гибкие элементы 31, 32, 33 перемещаются за пятой 5, грузы 22, 23, 27 перемещаются в направлении к оси вращения, а грузы 24, 25, 26 - от оси вращения в направлении, прямо противоположном направлению смещения пяты 5 (вектора дисбаланса), корректирующая масса приобретает относительно оси вращения ротора дисбаланс, вектор которого прямо противоположен вектору дисбаланса пяты 5, а сила дисбаланса превышает силу дисбаланса пяты 5.

При устранении дисбаланса пята 5 под действием сил самоцентрирования будет смещаться в исходное положение. При этом гибкие элементы 31, 32, 33 освобождаются, гибкие элементы 29, 30, 34 перемещаются за пятой 5, а корректирующая масса смещается в исходное положение и приобретает относительно оси вращения ротора состояние баланса.

После завершения технологического процесса отключают привод, а после прекращения вращения ротора отключают систему газообеспечения и постепенно прекращают подачу газообразного рабочего тела к несущим поверхностям газостатического опорного узла. Пята 5 плавно опускается на подпятник 7.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к самобалансирующимся роторным механизмам с вертикальной осью вращения ротора и газостатическим опорным узлом. Роторный механизм содержит рабочий орган, газостатический опорный узел с соответствующими друг другу по форме несущими поверхностями, пята которого и рабочий орган образуют ротор, подпятник которого имеет отверстие для подвода газообразного рабочего тела к несущим поверхностям. Также устройство содержит фигурную раму, расположенную между рабочим органом и пятой и связанную с ними посредством гибких элементов, узел коррекции дисбаланса рабочего органа и узел коррекции дисбаланса пяты. Каждый из узлов состоит из корректирующей массы и гибких элементов, связывающих корректирующую массу с рабочим органом и пятой, соответственно, и взаимодействующих с фигурной рамой. Причем места соединения гибких элементов узлов коррекции дисбаланса рабочего органа и пяты с рабочим органом и пятой, соответственно, расположены ближе к оси вращения ротора по сравнению с местами их взаимодействия с фигурной рамой. Корме этого, устройство содержит систему газообеспечения, связанную с отверстием подпятника, и привод с гибкими механическими передачами для придания вращательного момента от электродвигателя пяте, от пяты фигурной раме и от фигурной рамы рабочему органу. Каждая из гибких передач состоит из трех валов, последовательно соединенных с возможностью пересечения осей, один из которых выполнен телескопическим. При этом корректирующая масса узлов коррекции дисбаланса рабочего органа и пяты выполнена в виде нескольких грузов, соединенных друг с другом в кольцо упругими элементами. Технический результат заявленного решения состоит в повышении эффективности самобалансировки рабочего органа и пяты за счет обеспечения смещения части корректирующей массы, расположенной на стороне, противоположной вектору дисбаланса рабочего органа и пяты, на большее расстояние, чем расстояние, на которое смещаются рабочий орган и пята, соответственно. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Самобалансирующийся вертикальный роторный механизм с газостатическим опорным узлом, содержащий рабочий орган, газостатический опорный узел с соответствующими друг другу по форме несущими поверхностями, пята которого и рабочий орган образуют ротор, а подпятник которого имеет отверстие для подвода газообразного рабочего тела к несущим поверхностям, фигурную раму, расположенную между рабочим органом и пятой и связанную с ними посредством гибких элементов, узел коррекции дисбаланса рабочего органа и узел коррекции дисбаланса пяты, каждый из которых состоит из корректирующей массы и гибких элементов, связывающих корректирующую массу с рабочим органом и пятой, соответственно, и взаимодействующих с фигурной рамой, причем места соединения гибких элементов узлов коррекции дисбаланса рабочего органа и пяты с рабочим органом и пятой, соответственно, расположены ближе к оси вращения ротора по сравнению с местами их взаимодействия с фигурной рамой, систему газообеспечения, связанную с отверстием подпятника, и привод с гибкими механическими передачами для придания вращательного момента от электродвигателя пяте, от пяты - фигурной раме и от фигурной рамы - рабочему органу, каждая из которых состоит из трех валов, последовательно соединенных с возможностью пересечения осей, один из которых выполнен телескопическим, отличающийся тем, что корректирующая масса узлов коррекции дисбаланса рабочего органа и пяты выполнена в виде нескольких грузов, соединенных друг с другом в кольцо упругими элементами.2. Роторный механизм по п.1, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены в виде пружин растяжения.