Самобалансирующийся вертикальный роторный механизм с газостатическим опорным узлом

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ САМОБАЛАНСИРУЮЩИЙСЯ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ РОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ С ГАЗОСТАТИЧЕСКИМ ОПОРНЫМ УЗЛОМ(71) Заявитель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие НПО Центр(72) Авторы Артамонов Владимир АлександровичБородавко Владимир ИвановичБороха Эдуард ЛеонидовичВоробьв Владимир ВасильевичКозин Александр ЮрьевичКричко Константин АлександровичЛускин Григорий Михайлович(73) Патентообладатель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие НПО Центр(57) 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 10078 1 2007.12.30 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 корректирующие массы узлов коррекции дисбаланса рабочего органа и пяты выполнены в виде нескольких грузов, соединенных друг с другом в кольцо упругими элементами. 2. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены в виде пружин растяжения. 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, МПК В 02 С 13/14, публикация 2002). 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 соединения 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, систему газообеспечения, связанную с отверстием подпятника,и привод 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 2 10078 1 2007.12.30 опорного узла, соединяющего подшипниковый узел и корпус (Патент РФ 2220782, МПК В 04 В 9/04, 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, МПК В 04 В 9/12,2005). 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 достижения указанного технического результата 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 соединения с фигурной рамой, систему газообеспечения, связанную с отверстием подпятника, и привод с 3 10078 1 2007.12.30 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 цилиндрическими пружинами. 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 разрезе с рабочим органом и пятой, находящимися в состоянии дисбаланса. 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 (на чертежах 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 (на чертежах 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 цилиндрических пружин. 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 технологической скоростью. Посредством гибких механических передач 36 и 37 вращение с такой же скоростью придается фигурной опоре 3 и рабочему органу 1 соответственно. 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 4 10078 1 2007.12.30 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. 5) 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 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 его силой дисбаланса. При устранении динамической неуравновешенности рабочий орган 1 под действием сил самоцентрирования (Ишлинский А.Ю. Прикладные задачи механики. Кн. 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. 5). 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 (Ишлинский А.Ю. Прикладные задачи механики. Кн. 2. Механика упругих и абсолютно твердых тел. - М. Наука, 1986. - С. 123) 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 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. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6