Стабилизирующая шарикоподшипниковая опора вала Советский патент 1992 года по МПК G01M13/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкциям шарикоподшипниковых опор валов с низкой виброактивностью, и является усовершенствованием устройства по авт.св. № 920434.

Известная стабилизирующая шарикоподшипниковая опора вала содержит приводной вал, смонтированный в корпусе на двух шарикоподшипниках, неподвижные кольца которых сопряжены с пьезовибрато- рами, подключенными к блоку питания через систему управления.

Пьезовибраторы воздействуют на наружные (неподвижные) кольца шарикоподшипников и, изменяя силы трения качения в них, управляют скоростью вращения их сепараторов. При таком вращении сепараторов, оба конца вала, находящиеся в шари- киподшипниках,совершают

противофазные и синхронные колебания, которые взаимокомпенсируются в серединной точке ротора.

Недостатком известного устройства является то, что для достижения малой вибро- активности серединной части вала осуществляется управление только силами трения качения в шарикоподшипниках концов вала. Однако в силу того, что силы трения качения в шарикоподшипниках не являются интегральной характеристикой его точности, а значит, и малой виброактивности, в известном устройстве стабильное управление возможно лишь для шарикоподшипников с малыми радиальными зазорами (несколько микрометров), т.е. для высокоточных шарикоподшипников. Радиальный зазор является одним из критериев точности шарикоподшипниковой опоры. Величина радиального зазора в опорах концов вала в совокупности с дисбалансом вращающихся частей и определяет виброактивность концов вала. Это обусловлено тем, что виброактивность вала напрямую зависит от его угловой жесткости, которая в свою очередь определяется величиной радиальных зазоров в его опорах.

На эффективную взаимокомпенсацию возмущений шарикоподшипников, т.е. на снижение виброактивности вала, существенную роль играет одинаковость радиальных зазоров в опорах на противоположных концах вала. В известном техническом решении одинаковость радиальных зазоров обеспечивается только за счет подбора одинаковых подшипников. Здесь нет возможности управлять этими зазорами и компенсировать их изменение за счет температурных деформаций, возникающих в процессе работы. Величины радиальных зазоров влияют на точность базирования вала

в опорах и на его угловую жесткость,.сказываются при возможных перекосах и на силах трения качения в подшипниках. Таким образом, отсутствие возможности совместного

управления радиальными зазорами и силами трения качения в опорах вала не позволяет достичь высокой угловой жесткости вала и его низкой виброактивности для более широкой области значений параметров

0 шарикоподшипников (т.е. для более грубых шарикоподшипников).

Дополнительно к этому способствует то обстоятельство, что в известном устройстве вибрационное воздействие осуществляется

5 только на наружное кольцо шарикоподшипника. Поэтому эффективность снижения сил трения качения на внутреннем кольце подшипника ниже, нежели на наружном, что ограничивает возможности управления си0 лами трения качения в подшипнике.

Целью изобретения является повышение точности базирования вала путем уменьшения радиального зазора в подшипниках и снижения виброактивности.

5Указанная цель достигается тем, что

стабилизирующая шарикоподшипниковая опора вала, содержащая приводной вал, смонтированный в корпусе на двух шарикоподшипниках, неподвижные кольца кото0 рых сопряжены с пьезовибраторами, подключенными к блоку питания через систему управления, снабжена дополнительными кольцевыми пьезоэлементами, сопряженными с подвижными кольцами

5 подшипников и расположенными со стороны, противоположной расположению основных пьезоэлеметов, дополнительным источником постоянного тока и двумя коммутирующими устройствами, с помощью од0 ного из которых пьезоэлементы соединены с упомянутым источником постоянного тока, а другого - с блоком питания.

На чертеже представлена схема стабилизирующей шарикоподшипниковой опоры

5 вала.

Стабилизирующая шарикоподшипниковая опора вала содержит вал 1, концы которого расположены в шарикоподшипниках 2, базирующихся наружными кольцами

0 в корпусе 3. Наружное кольцо каждого шарикоподшипника 2 жестко сопряжено (приклеено) с кольцевым пьезоэлементом 4, а внутреннее кольцо - с кольцевым пьезоэле- метом 5. При этом кольцевые пьезоэлемен5 ты 4 и 5 расположены коаксиально, но с противоположных торцов шарикоподшипника 2. Электроды каждого пьезоэлемента 5, сопряженного с внутренним кольцом шарикоподшипника 2,через коллекторы 6 под- рединены к выходам коммутирующих

устройств 7 и 8, а электроды каждого пьезо- элемента 4, сопряженного с наружным кольцом шарикоподшипника 2, подсоединены напрямую к выходам коммутирующих устройств 7 и 8. Два входа коммутирующего устройства 7 подключены к двум выходам источника 9 постоянного напряжения , а два входа коммутирующего устройства 8 подключены к двум выходам генератора 10 электрических колебаний. Система управления стабилизирующей шарикоподшипниковой опорой вала состоит из датчика 11 радиальных колебаний вала 1, расположенного в серединной зоне последнего и подключенного к преобразователю 12, выход которого подключен к регулятору 13 величины и частотного соотношения сигналов, подаваемых на пьезоэлементы 4 и 5. При этом один выход устройства 13 подключен к входу источника 9 постоянного напряжения, а другой выход регулятора 13 подключен к входу генератора 10 электрических колеба

НИИ.

Стабилизирующая шарикоподшипниковая опора вала работает следующим образом.

При вращении вала 1 его концы, расположенные в шарикоподшипниках 2, совершают радиальные колебания, обусловленные виброактивностью шарикоподшипников, что вызывает радиальные колебания по всей длине вала между опорами. Эти радиальные колебания обусловлены наличием радиальных зазоров и сил трения качения в шарикоподшипниках 2. Радиальные зазоры в шарикоподшипниках вала 1 влияют на его угловую жесткость и в сочетании с дебалансными силами вращающихся сепараторов, влияющих на силы трения качения в этих подшипниках, обуславливают виброактивность вала 1. Виброактивность вала 1 воспринимается датчиком 11 колебаний, сигнал которого преобразуется преобразователем 12 и подается в регулятор 13 величины и частотного соотношения сигналов, подаваемых на пьезоэлементы 4 и 5. По величине радиальных колебаний в любой точке между опорами вала 1 регулятор 13 устанавливает величину постоянного напряжения источника 9, подаваемого через коммутирующее устройство 7 на пьезоэлементы 4 и 5 раздельно для каждой опоры. Одновременно с этим регулятор 13 устанавливает соотношение частот переменных напряжений, подаваемых из генератора 10 электрических колебаний посредством коммутирующего устройства 8 на пьезоэлементы 4 и 5 раздельно для каждой опоры. Постоянное и переменное напряжения на пьезоэлементы 5 подаются через коллекторы 6. При этом величина постоянного напряжения, подаваемая на пару пьезоэлеметов 4 и 5 каждой опоры, поставлена в прямо пропорциональную зависимость от величины радиального биения вала у этой опоры. При подаче постоянного напряжения на пьезозлементы 4 и 5 они по обратному пье- зоэффекту удлиняются и сдвигают наружноеивнутреннеекольцо

0 шарикоподшипника 2 относительно друг друга, уменьшая тем самым радиальный зазор в шарикоподшипнике 2. Это повышает угловую жесткость вала 1 и снижает его виброактивность. Подбор величины постоянно5 го напряжения для каждой пары пьезоэлементов 4 и 5 позволяет управлять величиной радиального зазора в каждом подшипнике, т.е. обеспечивает его равенство в разных подшпиниках.

0 Вместе с постоянным Напряжением на пьезоэлементы 4 и 5 через коммутирующее устройство 8 подается переменное напряжение генератора 10. При этом в пьезоэле- метах 4 и 5 по обратному пьезоэффекту

5 возбуждаются высокочастотные механические колебания направленные по касательной к зоне контакта шарика с наружным и внутренним кольцом каждого шарикоподшипника 2. Такое воздействие высокоча0 стотных колебаний на зону контакта шарика с опорными поверхностями как наружного, так и внутреннего колец вызывает проскальзывание шариков в режиме гидродинамического контакта, что снижает силу трения

5 качения в шарикоподшипниках и изменяет скорость вращения сепараторов шарикоподшипников. Управляя посредством регулятора 13 соотношением частот напряжений, подаваемых на пары пьезоэле0 ментов 4 и 5 разных шарикоподшипников 2, обеспечивается синхронное и противофазное вращение сепараторов шарикоподшипников 2 в разных опорах. Это приводит к тому, что при таком вращении сепараторов

5 их дебалансные воздействия вызывают синхронные и противофазные колебания концов вала 1, которые в серединной зоне вала 1 взаимокомпенсируются.

Экспериментально исследуют шарико0 подшипниковую стабилизирующую опору вала, в которой применяют шарикоподшипники 200 с размерами: внутренний диаметр внутреннего (подвижного) кольца d 10 мм, наружный диаметр наружного (неподвиж5 ного) кольца D 30 мм, рабочий радиальный зазор в левом подшипнике составляет 9 мкм, в правом - 14 мкм, диаметр вала по всей длине между опорами 18 мм. В качестве пьезоэлементов 4 и 5 применяют пьезо- керамические втулки из пьезокерамики ЦТС

-19 с размерами: длина L-20 мм, наружный диаметр DI 28 мм, внутренний диаметр d 23 мм. В качестве блоков 9 и 10 применяют стандартный источник постоянного напряжения Б5 - 48 и стандартный генератор электрических колебаний Г334. При подаче постоянного напряжения величиной 40 и 50 В на пьезоэлементы 4 и 5 левой и правой опоры соответственно каждый пьезоэле- мент 4 и 5 левой опоры удлиняется на 2 мкм, что уменьшает осевую игру левого шарикоподшипника 2 на 4 мкм, а каждый пьезоэле- мент 4 и 5 правой опоры удлиняется на 3 мкм, что уменьшает осевую игру правого шарикоподшипника 2 на б мкм. Это приводит к снижению радиального зазора в каждой опоре и повышает угловую жесткость вала. Номинальная резонансная частота f0 переменного напряжения, подаваемого из блока 10 на пьезоэлементы 4 и 5, составляет 79,3 кГц. Изменение соотношения частот f0 для разных опор вала в пределах 800 Гц вызывает изменение сил трения качения в подшипниках 2, а следовательно, и изменение скоростей вращения сепараторов этих подшипников 2. При этом реализовывается режим самосинхронизации скоростей вращения сепараторов шарикоподшипников, в котором вращение сепараторов становится синхронным и противофазным. В этом режиме виброактивность шарикоподшипников 2 на противоположных концах вала 1 взаимокомпенсируется, что приводит к снижению виброактивности вала в серединной его зоне с 17 до 1,5 мкм.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в том, что снабжение каждого

шарикоподшипника вала дополнительным кольцевым пьезоэлементом, расположенным со стороны, противоположной основному пьезоэлементу, и сопряженным с

подвижным кольцом подшипника, а также подключение всех пьезоэлементов к источникам постоянного и переменного напряжений позволяет снизить радиальный зазор в каждой опоре, что повышает точность базирования на 60%, и, обеспечивая управление силами трения качения в каждом шарикоподшипнике, позволяет достичь управляемого режима самосинхронизации для шарикоподшипников с увеличенными и

неодинаковыми радиальными зазорами, при котором за счет взаимокомпенсации возмущений подшипников виброактивность вала в его серединной точке снижается более чем в 10 раз.

Формула изобретения

Стабилизирующая шарикоподшипниковая опора вала по авт.св. № 920434, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности базирования вала путем

уменьшения радиального зазора в подшипниках и снижения виброактивности, она снабжена дополнительными кольцевыми пьезоэлементами, сопряженными с подвижными кольцами подшипников и расположенными со стороны противоположной расположению основных пьезоэлементов, дополнительным источником постоянного тока и двумя коммутирующими устройствами, с помощью одного из которых пьезоэлементы соединены с упомянутым источником постоянного тока, а другого - с блоком питания.

Изобретение относится к точному машиностроению, в частности к конструкциям шарикоподшипниковых опор подвесок валов с низкой виброактивностью, Цель изобретения - повышение точности базирования вала в опорах путем уменьшения радиального зазора в подшипниках, снижение виброактивности вала. Шарикоподшипниковая подвеска вала содержит приводной вал 1 смонтированный в корпусе 3 на двух шарикоподшипниках 2, сопряженныхспьезовибраторами, 4135 6 подключенными к генератору 10 электрических колебаний через систему управления. Каждая подшипниковая опора снабжена двумя коаксиально направленными и расположенными с противоположных торцов подшипника 2 кольцевыми пьезоэлементами 4, 5. Один из пьезоэлементов сопряжен с внутренним,а другой с наружным кольцом шарикоподшипника 2. Система управления дополнительно снабжена, источником 9 постоянного напряжения и двумя коммутирующими устройствами 7, 8 через которые на все пьезоэлементы 4, 5 подано постояное и переменное напряжение. Величина постоянного напряжения поставлена в прямопро- порциональную зависимость от величины виброактивности вала 1, При таком выполнении подвески вала 1 обеспечивается управление радиальными зазорами в его опорах, т.е. управление его угловой жесткостью, и управление направлением действия возмущений в шарикоподшипниках 2. Т.е. обеспечивается возможность взаимокомпенсации этих возмущений, что в сумме приводит к снижению виброактивности вала. 1 ил. 6 S 2 4 сл с VI го § VI k