Фильтрующая центрифуга Советский патент 1990 года по МПК B04B3/06 

ром расположен ротор 2, установленньп . возбуждаются и поддерживаются они не

с помощью подшипников 3 на валу 4, Вал 4 посредством анизотропного упругого элемента 5 закреплен в цапфе 6, Угловые жесткости Ж, Ж упругого элемента 5 относительно осей симметрии сечения ОХ и OZ, проходящих через центр масс О упругого элемента 5, различны. Оси симметрии сечения ОХ и OZ являются также симметрии упругого элемента 5, Различие угловых жесткостей может обеспечиваться различным образом, например наличием отверстий, расположенных симметрично относительно точки О (фиг. 2), Угло20

25

каким-либо внещним воздействием, а периодическим изменением одного из параметров системы: массы, момента инерции .или коэффициента жесткости упругих элементов, Даже в системах с одной степенью свободы возможно возбуждение различных параметрически резонансов. Наиболее широкая область возбуждения соответствует главному параметрическому резонансу. Условия его возбуждения для механической сис темы, описываемой уравнением

г

Ыо (1-t-2ju cos2u;g t)q (2)

вые жесткости Ж. отношению

-- El - Жа

,, Ж jудовлетворяют Ж + Лх ;

0,2

/

1+0,128 -10-3 к

Ж , + Ж 2

(1)

где I - момент инерции ротора относительно горизонт.альной оси, проходящей через центр масс упругого элейента,40

Упругий элемент 5, вьшолненньп из анизотропного материала, размещен в цапфе 6 S которая установлена на корпусе 1 посредством стакана 7 и с помощью шкива 8 соединена с двигателем 5 9, Ротор 2 посредством шкив.а 10 соединен с двигателем 11„ Фильтрующая центрифуга снабженца загрузочным патрубком 12, сборником 13 фуг.ата и сборником 14 осадка.5Q

Поясним механизм возбуждения угловых колебаний ротора„

В предлагаемой фильтрующей центрифуге движение ротора осуществляется

где q - обобщенная координата системы; f - коэффициент трения; (jjg- собственная частота системы; . и - коэффициент параметрического возбуждения;

2w - частота параметрического возбуждения.

При этом колебания системы происходят с частотой, равной половине частоты параметрического возбуяяения,

В предлагаемой центрифуге таким переменным параметром, обеспечивающим возбуждение параметрических колебаний ротора, является угловая жесткость упругого элемента 5, Действительно, вследстЁие различных угловых жесткостей Ж, , Ж анизотропного упругого элемента 5 при вращении цапфы 6 изменяется и угловая жесткость упругого элемента 5 относительно некоторой фиксине принудительным образом, а основано рованной горизонтальной оси, проходяна явлении параметрического резонанса, сущность которого состоит в следующем. Существует достаточно широкий класс механических систем, движение

щей через его центр масс. Причем за один о&орот цапфы 6 изменение угловой жесткости происходит дважды. Изменение угловой жесткости и создает прин0

5

каким-либо внещним воздействием, а периодическим изменением одного из параметров системы: массы, момента инерции .или коэффициента жесткости упругих элементов, Даже в системах с одной степенью свободы возможно возбуждение различных параметрических резонансов. Наиболее широкая область возбуждения соответствует главному параметрическому резонансу. Условия его возбуждения для механической системы, описываемой уравнением

г

0

О,

Ыо (1-t-2ju cos2u;g t)q (2)

ш,

(3)

5

0

5 Q

имеют следующий ид

)

где q - обобщенная координата системы; f - коэффициент трения; (jjg- собственная частота системы; . и - коэффициент параметрического возбуждения;

2w - частота параметрического возбуждения.

При этом колебания системы происходят с частотой, равной половине частоты параметрического возбуяяения,

В предлагаемой центрифуге таким переменным параметром, обеспечивающим возбуждение параметрических колебаний ротора, является угловая жесткость упругого элемента 5, Действительно, вследстЁие различных угловых жесткостей Ж, , Ж анизотропного упругого элемента 5 при вращении цапфы 6 изменяется и угловая жесткость упругого элемента 5 относительно некоторой фиксированной горизонтальной оси, проходящей через его центр масс. Причем за один о&орот цапфы 6 изменение угловой жесткости происходит дважды. Изменение угловой жесткости и создает прин

ципиальную основу для возбуждения угловых параметрических колебаний ротора .

В промьшшенных центрифугах масса корпуса обычно значительно (в 9-tO раз) превьппает массу ротора. Предполагая вьшолнимость этих соотношений и в данном случае, при анализе динамики ротора 2 пренебрегают перемещениями корпуса 1 и считают его неподвижным. Далее допустимо пренебречь также и перемещениями центра масс анизотропного упругого элемента 5 и рассматривать ротор 2 как тело с одной неподвижной точкой. Пусть неподвижная система координат-с началом в точке О - центре масс упругого элемента 5, OXYZ - подвижная, жестко связанная с ротором 2. Положение ротора 2 в неподвижной системе определяют с помощью углов Эйлера: прецессии (fJ , нутации 9 и собственного вращения (f. Пусть ротор 2 вращается вокруг собст

С

венной оси с угловой скоростью ои т.е, (f Ct),t, цапфа 6 - с угловой скоростью ш .

Оценку жесткостных свойств анизотропного, упругого элемента 5 получают, рассмотрев потенциальную энергию его элементарного слоя при малых наклонах ротора и последзгющем интегрировании полученного выражения по высоте упругого элемента. В результате этого получают следующее выражение для потенциальной энергии П упругой деформации анизотропного упругого элмента 5:

40

П -е (1+2.cos2if,),

где Ж, (Ж,+Жр/2 - среднее значение

угловой жесткости;

,5(Ж, -Жр/(Ж+Ж,)- параметр, характеризующий анизотроJПИЮ жесткости; д

,- величин а процессии ротора 2 относительно цапфы 6, Учитывая вращение цапфы 6, получают

. e(1+2f/ .cos2(wt -у).

Предположим далее, что силы сопротивления, действующие в центрифуге, приведены к скорости деформации анизотропного упругого элемента 5 и известным образом составим вьфажения для кинематической энергии Т и дисси- пативной функции D, После этого, находя соответствующие производные

10

jj20

функций П, Т, D и подставляя получанные вьфажения в уравнении Лагранжа II-го рода, получают уравн ения движения ротора 2а

Для определения условий возбуждения параметрических колебаний достаточно рассмотреть линейные части полученных уравнений. Они имеют вид

i О .

Il9 +М Жсрр+Ж(1+2|и cos2(wt-v)6. О,(4)

где I - момент инерции ротора 2 относительно горизонтальной оси, проходящей через центр масс О анизотропного упругого элемента 5;

- коэффициент поглощения энергии в упругом элементе, равный Н 8 , Проведем анализ уравнений (4), В схеме фильтрующей центрифуги отсутствуют силы, обспечивающие и поддерживающие процессию ротора 2, еле- ; довательно, в стационарном режиме V , const. Второе кз уравнений, пос;- 20 ле некоторых преобразований, можно представить в виде

de

25

35

40

;

д

и т

50

55

/6

,+ 2

...

dl} где 2

t-v,/iu

(Н2(хсо82и Г), (5) РЖср г™ /, , ./, . - -Гц

Таким образом, в первом приближении движение ротора 2 описывается одним уравнением второго порядка, вид которого совпадает с (2),

В устройствах резонансного типа, каким является и предлагаемая центрифуга, необходимо предусматривать запас устойчивости рабочих режимов к изменению параметров: массы загрузки, жесткости упругих элементов, частоты возбуждения и т,д, В общем случае эта .задача может быть сведена к обеспечению запаса устойчивости к изменению частоты возбуждения, величина которого, равная 5%, обычно используется в расчетах резонансных машин, В этом случае относительная ширина зоны возбуждения d(jj/uJ параметрического резонанса должна составлять не более 10%, Тогда выбирая в качестве рабо- . чей частоты частоту, соответствующую середине зоны неустойчивости, т.е, полагая сх) Юц, из (3) после преобразований получают следующие соотношения,

,,-Ж,/ 411Ло7ои-(2 К«ыЪ 5

Тогда, положив для оггоеделенности, что Ж -у Ж, aw wf (, из последних соотношений получают;

Ж, IUJ 1+0,2 Ун (0,0160) (6) 10 1W(1-0,2 fn-(0,016u)) j (7)

0,2 UO, 128 .10-3 .illEl (1)

Ж Ж

1

Поясним принцип работы фильтрующей центрифуги.

Пусть момент инерции ротора 21 330 кгм, угловая скорость вращения цапфы 6 и колебаний ротора 2 и 74 с Подставив эти значения в соотношения (6) и (7), определяют угловые жесткости анизотропного упругого элемента 5: Ж , 2,4-10 нм; 1 1,2,10 нм.

При включении двигателей вращающий момент от двигателя 11 через шкив 10 передается ротору 2 и в установившемся режиме сообщает ему вращение в подшипниках 3 вокруг собственной оси с угловой скоростью We. Вращающий мо- мент от двигателя 9 через шкив 8 передается цапфе 6, расположенной в стакане 7, которая совместно с анизотроп- ным упругим элементом 5 и з 1креш: енным в нем валом 4 начинает вращгьться с возрастающей угловой скоростью. В щ)оцессе разгона двигателя 9 наклон рбто- . ра 2 и деформации анизотропного joipy- гого элемента 5 практически отсутствуют, в результате чего двигатель 9 преодолевает минимальные пусковые нагрузки, обусловленные лишь сило1-1 тяжести ротора 2, Как только угловая скорость вращения двигателя 9 и, следоват 2ль- но, цапфы 6 совместно с анизотропным упругим элементом 5 достигает но1чи- нальной величины, вертикаль:иое положение ротора 2.становится неустойчивым и вследствие случайных возмущени1Й, обусловленных погрешностями в изготовлении центрифуги или неравномерности загрузки, возбуждаются параметрические колебания, в результате чего рото 2 совершает угловые колебания с частотой о. Исходный материал через загрузоч- ный патрубок 12 поступает в ротор 2 и распределяется по его рабочей по- janxHocTH, Жидкая фаза под действием

0

5

0

5 5 5055

нормальных составляющих действующих сил отделяется через щели боковой поверхности ротора 2 в сборник-13, а твердая фаза под действием составляющих, параллельных образующей ротора 2, перемещается к его верхнему основанию и выгружается в сборник 14. Через соответствующие отверстия в корпусе 1 жидкая фаза и осадок вьюодятся из сборников 13 и 14..

Отсутствие стойки, эксцентрика, жестко закрепленного на конце вала, и; упругого элемента, связанного с ротором посредством подшипников, упрощает конструкцию центрифуги и технологию ее изготовления. Отсутствиеi эксцентрика, упругого элемента и амортизаторов, расположенных между шкивом и ротором, устраняет наклон ротора в начальный момент времени, позволяет снизить моменты, препятствующие вращению двигателя в момент пуска, и уменьшить установочную мощность двигателя, В результате этого снижается расход электроэнергии-и энергоемкость центрифуги в целом. Наличие цапфы, анизотропного упругого элемента и закрепленного в нем вала обеспечивает возбуждение угловых движений ротора при рабочей скорости вращения двигателя.

Предлагаемая фильтрующая центрифуга обладает дополнительным достоинством, обусловленным характером движения ротора. В отличие от известной, в предлагаемой фильтрующей центрифуге ротор 2, вращаясь вокруг собственной оси, совершает плоские угловые колебания, что позволяет установить параметры его движения таким образом, что выгрузка осадка осуществляется лшиь в моменты крайних положений ротора 2. Тем самым увеличивается время пребьшания материалов в поле центробежных сил и повьш1ается степень обез- .воживания осадка.

Формула изобретения

Фильтрующая центрифуга, содержащая виброизолированный корпус, ротор, вал, упругий элемент и привод, о i личающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции и сниже- ния энергоемкости, она снабжена цапфой, смонтированной на корпусе и связанной с приводом, упругий элемент выполнен анизотропным, ротор укреплен

на валу, а последний закреплен в цапфе посредством упругого элемента, причем угловые жесткости Ж, Ж. упругого элемента относительно его горизонталь- ных осей симметрии удовлетворяют со-- отношению

0.2|

i+o,i28-io-3. ,

момент инерции рото ра относительно горизонтальной оси, проходящей через центр масс упругого элемента.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к центрифугированию, и может быть использовано в химической, угольной и других отраслях промышленности. Целью изобретения является упрощение конструкции центрифуги и снижение ее энергоемкости. Фильтрующая центрифуга содержит виброизолированный корпус 1 и ротор 2, укрепленный на валу 4. На корпусе 1 смонтирована посредством стакана 7 цапфа 6, связанная с приводом. Вал 4 закреплен в цапфе 6 с помощью упругого элемента 5 из анизотропного материала. Угловые жесткости Ж 1 и Ж 2 упругого элемента 5 относительно его горизонтальных осей симметрии удовлетворяют соотношению Ж 1-Ж 2/Ж 1+Ж 2=0,2√1+0,128 .10 -3.Ж 1+Ж 2/I, где I - момент инерции ротора относительно горизонтальной оси, проходящий через центр масс упругого элемента 5. 2 ил.

/4-XI