Устройство упругой опоры вала и способ регулирования колебаний вала Российский патент 2018 года по МПК F16C27/02 F16C32/06 F01D25/16 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для крепления подшипников как в устройствах с высокооборотными валами, например в турбинах, так и с низкооборотными, например в инкубаторах.

Известен подшипник скольжения SU №1250750, состоящий из корпуса, в котором установлены упругие лепестки с термомеханической памятью, которые при нагреве поджимают вал.

Недостатком устройства является сложность конструкции.

Известна упругая опора ротора турбомашины, патент РФ №2529276, состоящая из статорного элемента, снабженного прорезями, образующими балочки, которые расходятся по спирали и сориентированы в радиальном направлении относительно оси опоры.

Недостатком устройства является то, что концы балочек жестко закреплены в статорном элементе и не позволяют создавать неравномерную жесткость в опоре.

Наиболее близким аналогом является опора вала, а.с. SU №607068, снабженная вибродатчиком и электромагнитным демпфером, позволяющим регулировать колебания вала.

Недостатком способа является сложность устройства и трудоемкость его настройки.

Недостатком известных устройств и способов является невозможность создания на опоре перемещаемых зон жесткости, при помощи которых можно регулировать колебания вала.

Способов и устройств, позволяющих создать на опоре зоны переменной жесткости, не выявлено.

Задачей изобретения является создание устройства и способа крепления вращающегося вала, позволяющего регулировать его колебания за счет создания в опоре вокруг этого вала зон с различной жесткостью.

Техническим результатом изобретения является новое свойство - это возможность регулирования колебаний (амплитуды и частоты) вала путем создания и перемещения в опоре зон жесткости и регулирование степени жесткости зон.

Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи достигается тем, что стенки опоры разрезают в радиальном, по отношению к валу, направлении, образуя консоли, свободные концы которых формируют отверстие для подшипника. Разрезы могут иметь различную длину и располагаться под некоторым углом по отношению к радиальному направлению. Разрезы могут быть (для увеличения длины консоли) фигурными, например дугообразными или волнистыми. Чем больше длина разреза и больший угол наклона, тем меньше жесткость консолей. Для увеличения жесткости консолей разрезы выполняют в виде полостей, заполненных объемно изменяющимся под внешним воздействием материалом.

На стенках опоры установлены датчики колебаний, а в полостях, заполненных, например, газом или жидкостью установлены нагревательные элементы. Датчики и все нагревательные элементы связаны устройством управления.

Способ уменьшения амплитуды колебаний вала заключается в том, что вокруг него на стенках опоры образуют зоны различной жесткости, которые создаются, например, за счет увеличения или уменьшения давления газов или жидкости в полостях при их нагреве. Каждая зона может формироваться группой из нескольких консолей. При этом зоны повышенной жесткости создают с одной или обеих сторон вала в направлении его колебания. Изменением степени жесткости консолей, которое производится за счет изменения температуры в полостях, добиваются минимизации амплитуды колебаний.

В случае изменения направления этих колебаний направление расположения зон повышенной жесткости также изменяют, добиваясь их совпадения.

На фиг. 1 представлена схема опоры с перемещаемыми зонами переменной жесткости, позволяющая уменьшать амплитуду колебания (вибрации) вала.

На фиг. 2 показано устройство полости опоры.

На фиг. 3 показана схема управления зонами переменной жесткости.

На фиг. 4 изображена опора с фиксированными зонами различной жесткости, способствующая гашению колебаний вала.

На фиг. 5 показана опора с удлиненными пружинами.

На фиг. 6 представлено изображение инкубатора, в редукторе которого для крепления подшипников используется рассматриваемая опора.

Сущность изобретения.

В устройстве, стенки опоры вала разрезаны в радиальном к валу направлении и образуют упругие консоли, свободные концы которых формируют отверстие для подшипника. Консоли могут иметь различные сечения, длину, угол наклона и располагаться в различных сочетаниях, причем разрезы образуют вдоль консолей полости, которые заполняют материалом, оказывающим переменное давление на консоли. В качестве такого материала применяют газ или жидкость, изменяющие свой объем при изменении температуры.

Способ регулирования колебаний вала (амплитуды и частоты) заключается в создании в стенках опоры вокруг вала подвижных зон различной жесткости, реализованных за счет воздействия на консоли изменяющегося в полостях давления газа или жидкости, при изменении ее температуры нагревательными элементами, работающими по командам датчиков колебаний. Перемещение зон повышенной жесткости осуществляется в направлении наибольшей амплитуды колебаний вала.

Устройство содержит (фиг. 1) стенки 1 опоры вала 2, которые разрезаны в радиальном, по отношению к валу, направлении, образуя консоли 3 (фиг. 2, 4, 5), свободные концы которых формируют отверстие для подшипника. Консоли 3 могут иметь различные поперечные сечения, длину (фиг. 4, 5) и располагаться в различных сочетаниях (фиг. 4, 5). Разрезы между консолями образуют полости 4 (фиг. 2) заполненные газом 5 или жидкостью, или другим материалом, объемно изменяющимся под внешним воздействием от температуры, электрического тока, магнитных полей и т.д. На стенках 1 опоры установлены датчики колебаний 6, а в полостях 4 установлены, например, нагревательные элементы 7, связанные между собой устройством управления 8 (фиг. 3).

Уменьшение амплитуды колебаний (вибраций) вала 2, при больших его скоростях вращения (см. фиг. 1), производят созданием с обеих его сторон, в направлении вибрации (показано стрелками), зон повышенной жесткости 9, состоящих из нескольких рядом стоящих консолей 3. Для этого в полостях 4, расположенных вдоль консолей 3, входящих в зоны 9 (показаны штриховкой), при помощи нагревательных элементов 7 разогревают газ 5. Его давление при нагреве повышается, полости 4 расширяются и поджимают консоли 3, увеличивая, таким образом, их жесткость. Совмещение направления вибрации с направлением размещения зон повышенной жесткости 9 производят путем их перемещения вокруг вала 2. Это осуществляют при помощи блока управления 8 за счет последовательного, в направлении перемещения, отключения конечных и включения начальных нагревателей 7 зон 9. Перемещение прекращают фиксацией включенных нагревателей 10 (показаны звездочками) при достижении минимального значения амплитуды колебания, определяемого датчиками 6. Дальнейшее уменьшение амплитуды до минимально возможного осуществляют варьированием степени жесткости зон 9 за счет изменения напряжения на нагревателях 7.

Как простейший вариант реализации опоры, уменьшающей вибрации вала, на фиг. 4 показана опора с тремя фиксированными зонами повышенной жесткости 9, векторы противодействия (наибольшей жесткости) которых расположены под углами 120 градусов. Расположенные между ними зоны пониженной плотности образованы несколькими консолями 3 каждая, а полости 4 между консолями 3 являются обычными разрезами. Поскольку колебание вала можно представить как сумму разнонаправленных колебаний компонентов системы, то зоны жесткости ослабят ту часть из них, направленность колебаний которых совпадет с направленностью их противодействия. В итоге ослабнет и результирующее колебание вала.

При небольших скоростях вращения вала опора вырождается в последовательность консолей 3, равномерно расположенных вокруг отверстия подшипника (фиг. 5). Полости 4 между консолями 3 реализованы как разрезы. Совокупность консолей 3 при этом демпфируют колебания вала 2 и виброизолируют их от стенок 1 опоры.

Такая опора является простым и удобным вариантом крепления шарикоподшипников в листовых материалах. В качестве примера на фиг. 6 изображен инкубатор, в редукторе которого подшипники закреплены в таких опорах. Вал 2 с подшипниками вставляют в круглое отверстие стенки (например, из сухой фанеры) опоры 1, образованное свободными концами консолей 3 (фиг. 5). Поскольку подшипник устанавливается с натягом, то консоли 3, как упругие рычаги (или упругие плоские пружины), центруют и удерживают его от проворачивания. В процессе эксплуатации, во влажной среде инкубатора, древесина разбухает, консоли 3 увеличиваются в размерах и создают вокруг вала 2 круговую зону повышенной жесткости, прочно удерживающую подшипник и демпфирующую его колебания.

Устройство и способ легки в эксплуатации и в изготовлении. В настоящее время оно находится на стадии опытного образца.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для крепления подшипников и регулирования вибраций вала как в высокооборотных устройствах, например турбинах, так и в низкооборотных, например инкубаторах. В устройстве стенки (1) опоры разрезаны в радиальном направлении к валу (2), образуя упругие консоли (3), свободные концы которых формируют отверстие для подшипника. Сами же разрезы при этом образуют полости (4), в которых установлены нагреватели (7) и которые заполнены газом (5), жидкостью или другим материалом, оказывающим давление на консоли (3) под воздействием температуры нагревателей (7), управляемых при помощи датчиков (6) колебаний, установленных на этой же опоре. Способ регулирования колебаний вала (2) осуществляется созданием в стенках (1) опоры вокруг вала (2), за счет увеличения давления в полостях, подвижных зон повышенной жесткости, которые по показаниям датчиков (6) колебаний устанавливаются в направлении наибольшей амплитуды колебаний. Технический результат: создание устройства и способа крепления вращающегося вала, позволяющего регулировать его колебания за счет создания в опоре вокруг этого вала зон с различной жесткостью. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство опоры вала, характеризующееся тем, что стенки опоры разрезаны в радиальном направлении по отношению к валу, образуя упругие консоли, при этом консоли могут иметь различные сечения, длину, угол наклона и располагаться в различных сочетаниях, причем разрезы вдоль консолей образуют полости, заполненные материалом, меняющим давление на консоли.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала, меняющего давление, применяют газ или жидкость, объемно расширяющиеся под управляемым изменением температуры.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в полостях разрезов установлены нагревательные элементы, а на стенках опоры установлены датчики колебаний.

4. Способ регулирования колебаний вала амплитуды и частоты заключается в создании в стенках опоры вокруг вала зон различной жесткости за счет изменения давления на консоли путем управляющего повышения или понижения температуры жидкости при помощи нагревательных элементов.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что регулирование колебаний производится перемещением и изменением жесткости чередующихся зон в зависимости от показаний датчиков колебаний путем создания на направлении наибольшей амплитуды колебаний одной или двух зон повышенной жесткости при помощи давления на консоли.