CN102840949A - 一种气压液体式转子在线自动平衡执行器 - Google Patents

一种气压液体式转子在线自动平衡执行器 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种气压液体式转子在线自动平衡执行器，属于液体式平衡领域的一种新型结构。4个储液室一次性充入平衡液，用压力气体驱动平衡液在相对的储液室之间定向转移，取代了目前液体式平衡执行器从外界注液的过程。转动部分没有电磁阀、止逆阀等可动部件，轴承只起动、静两部分之间的连接作用，无载荷。气体压力在非接触的静、动面之间传递，无需密封材料。可选择密度适宜且性能稳定的液体作为平衡液，其消耗近于零。本发明可以根据实际需求设计成多种结构形式，分别适用于不同的安装方式和不同的平衡性能要求。本发明在平衡精度、平衡速度等平衡性能以及平衡能力的大小与持久稳定性等方面均具优势。

Description

一种气压液体式转子在线自动平衡执行器
所属技术领域
本发明涉及一种液体式转子在线自动平衡执行器。用压缩空气驱动平衡液在相对两个储液室内流动转移，实现旋转系统的质量平衡。本发明适用于各种高速机床以及压缩机、风机等大型旋转机械的在线自动平衡。 
背景技术
旋转系统质量不平衡是产生振动的首要因素。对于各类加工机具，减小振动可以提高加工精度和工作效率，延长机具的使用寿命；对于各种机泵，减小振动是延长设备寿命、抑制恶性事故发生的重要手段。在线自动平衡是改善旋转系统平衡水平、减小振动的最佳方案。 
目前，旋转机械的自动平衡执行器主要有两类产品，一类是机械式平衡执行器，一类是注液式平衡执行器。国内自1993年开始有自动平衡执行器的发明专利，内容包含机械式、注液式和连续注排液式两种类型。 
注液式平衡执行器结构简单，但平衡能力随平衡次数的增加而减小，而且不具备质量分布的停机保持功能。国内近十几年来，许多科研机构和大专院校致力于研发连续注排液式和交替注排液式主动平衡执行器。连续注排液式平衡执行器必须无休止的注液和排液，系统的稳定性和执行机构的寿命将承受很大的考验。交替注排液式平衡执行器，至今尚未见到成功进行注液与排液交替过程的实验数据。 
无论注液式、连续注排液式还是交替注排液式平衡执行器，都需要向高速旋转的储液室中注入液体，每旋转一周进液量都有较大的不确定性，液体飞溅对环境也有一定的影响，注液过程很难与外界隔绝，容易带进灰尘等异物，使孔径很小的注液孔和排液孔产生阻力的变化，导致系统控制性能降低甚至失控。 
目前商品化的机械式和注液式两类平衡执行器产品，各有短长。在平衡速度、持久平衡能力、停机平衡量保持功能、最大平衡能力/体积比等方面，机械式优于注液式平衡执行器。但是，由于机械式平衡器内有非对称的质量块，甚至还有复杂的机械传递机构，很难用于高速和超高速运转条件。在平衡精度/质量比、最大平衡能力/质量比以及使用寿命和可靠性等方面，注液式优于机械式平衡执行器。 
毫无疑问，兼具机械式和液体式二者的优点、克服二者的缺陷是自动平衡执行器的研发方向。 
发明内容
为了克服现有液体式平衡执行器因注、排液而带来的各种缺陷，本发明提供一种平衡速度快、平衡精度/(质量·体积)和平衡能力/(质量·体积)高，并具有持久平衡能力和停机平衡量保持功能的液体式自动平衡执行器。 
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种气压液体式转子在线自动平衡执行器，其主体结构包括一个与被平衡转子固定在一起同步旋转的平衡盘和一个静止不动的气源分配器；平衡盘有4个中心对称的扇面形储液室，每个储液室都有一个通气孔。气源分配器把来自三通电磁阀控制下的压缩空气传输到高速旋转的储液室中，电磁阀为静止部件，不随旋转系统旋转；其特征在于：4个储液室预先充入适量的平衡液，使用过程中没有液体的注入和排出；位置相对的两个储液室的液相通过连通管相连，以压缩空气为动力源驱动平衡液经连通管在两个储液室之间作可控性流动。每根连通管的中心点都连接了一根指向旋转中心的平衡管，平衡管又与排空管相连；所述的气源分配器，通过分配器进气口、轴向气路通道、分配器环形槽以及储液室通气孔，构成了压缩空气的注入和排出的通道。 
位置相对的两个储液室的液相只用一根连通管相连，平衡液在连通管内可以进行双向可控性流动，连通管中无任何流体控制设备。 
连通管由储液室对称轴线的外缘点引出。 
连通管中心点的旋转半径小于整个连通管其余各点的旋转半径。 
气源分配器与平衡盘之间用轴承连接，以无密封、非接触耦合的方式实现压缩气体在静、动部件之间 的传输；气源分配器自身采用软支撑方式，始终处于静止自由状态，轴承近于无负荷运行。 
储液室进气路径采取回盘或抬高进气口方式，使自动平衡执行器在停止旋转时，储液室内的平衡液不会经进气口外泄。 
由于本发明平衡执行器不存在从外界注入或向外界排出液体，从而降低了质量分布控制的不确定性。平衡液在两个相对储液室之间一进一出的转移方式，不仅提高了平衡速度，而且平衡能力不受平衡过程的影响，可以在最大设计平衡能力范围内持久工作。 
本发明可以根据受控旋转轴系的不同结构形式和不同的平衡性能需求，设计成多种结构形式的自动平衡器。 
本发明可以取得如下有益效果： 
本发明是通过本体内部液体转移实现旋转系统可控自动平衡的液体式主动平衡执行器，它不存在从外界注入液体也不需要向外界排出液体，这是本发明与目前使用的和已有专利的液体式主动平衡执行器的最大区别。这一区别使液体式主动平衡执行器的功能得到许多本质上的改进和性能上的提升。 
目前注液式平衡执行器的平衡能力是一个由平衡过程起决定性作用的变量。由于不能同时具备液体的可控排出功能，平衡过程中每一次不平衡量相位的变化以及控制超调，都将使平衡能力受到削减，直至下降到零。目前的注液式平衡执行器最大平衡能力的标称值，仅仅是投用后第一次平衡过程才有可能达到的理想数值，一次运行的时间越长、平衡动作次数越多、不平衡相位变化越频繁，平衡执行器的实有平衡能力就越小。这对于运行周期长或具有时变特性的众多旋转设备而言是一个很大的缺陷。注液式平衡执行器平衡能力的衰减速度还受到控制超调量的大小和超调次数的极大影响。 
本发明储液室内的液体存量与平衡量之间具有确定的对应关系，平衡能力的计算结果就是本平衡执行器的实际平衡能力，它与平衡过程和运行时间无关。因此，本发明在整个运行周期中自始至终具有最大的平衡能力，自始至终保持最佳的平衡性能。 
目前已有的注液式平衡执行器在停机后平衡液将从平衡盘内流出，再次开机时不能继承以前的平衡成果，对于存在较大不平衡量的旋转系统需要在较大不平衡状态下启动和重新启动平衡。本发明具有平衡液停机保持功能的设计结构，再次开机时可以保持停机前的平衡量不变。 
目前已有的液体式平衡执行器使用水或冷却液作为平衡液，必须进行过滤或提压等预处理工作，不仅需要相应的外围设备，而且有很多喷射液体被喷落到平衡盘之外，造成资源浪费，对环境也有不良影响。 
本发明与外界没有液体交换，既减少了运行和维修费用，又减小了占用空间，既节约资源，对环境也不会产生任何不良影响。 
目前已有液体式平衡执行器平衡液的注、排过程较难实现全回收，不适于使用价格较贵的液体作为平衡液来提高平衡执行器的“平衡能力/(质量·体积)”，温度适用范围也比较小。这对于要求平衡能力大或者运行环境温度偏高、偏低的旋转设备，应用上有很大的局限性。 
本发明中平衡液相对封闭，消耗近于零。因此，可以根据应用环境灵活选择平衡液的种类。比如选用硅油代替水作为平衡液；如果需要平衡执行器的平衡能力大而体积小，可以选择高密度液体作平衡液，比如使用比密度为1.9的氟油，同体积的平衡执行器平衡能力可以提高近1倍；如果工作温度很高又需要更大的“平衡能力/(质量·体积)”，可以选择金属镓作为平衡液，“平衡能力/(质量·体积)”是硅油的6倍，金属镓的液态温度从30℃直至2000℃以上，平衡液将不再是平衡执行器最高运行温度的制约条件。 
目前已有的液体式平衡执行器，注入或排出的单位质量平衡液所产生的平衡能力增量与储液室存液厚度的平方成反比，由于存液厚度很难测量，平衡配重的估算偏差较大，不利于平衡精度和平衡速度的提高。 
本发明平衡液单位质量的转移所形成的平衡能力增量接近一个常量，因此可以进行平衡配重更精确的计算，对提高平衡精度和平衡速度具有积极意义。 
目前的液体式平衡执行器为了防止堵塞和提高响应速度，注液孔孔径不能过小，因而增大了可控一次注入量的最小值，不利于控制精度的提高。 
本发明采取良好的空气过滤措施，使用物化性能稳定的平衡液，连通管全部或部分管段的管径可以比注液式平衡执行器的注液孔径小很多，并且可以通过增大阻力系数的方法降低流速，从而大大减小了一次 动作的可控注液量，使平衡精度具备了更大的提升空间。 
本发明在平衡过程中，平衡液在相对的两个储液室中进行一增一减的流动，加之可以选用密度更大的液体，因此比其它类型的液体式平衡执行器控制灵敏度和平衡速度高很多。 
本发明超小型结构的平衡执行器在用于磨床砂轮在线自动平衡时，可应用的最小砂轮直径比目前各种平衡器小三分之一左右。 
本发明可以根据受控设备的安装要求设计成多种结构形式，平衡液的密度、转移速度也都可以根据不同需求进行设计，因而具有很高的设计和应用的灵活性。既适用于高精度、高速旋转的各种加工机械的自动平衡，也适用于动力设备、流体输送设备、离心机等大型转机的自动平衡；既可以用于水平轴系的自动平衡，也可用于垂直轴系的自动平衡；既可用于恒定转速系统的自动平衡，也可用于变转速系统的自动平衡；既适用于不平衡量单调缓变系统的自动平衡，也适用于不平衡量时变系统的自动平衡。对于高精密设备，本发明可以得到极高的平衡精度。对于大型转机，“平衡能力/(质量·体积)”可以超越目前所有类型的平衡执行器。使用环境温度低温可以到-30℃，最高可以到150℃以上。 
本发明的自动平衡执行器能耗小，对环境无污染，自锁性能可靠，故障安全性高，占用空间小，制造、使用以及维护费用低，易于实现产品化。 
附图说明
图1平衡盘外置端面安装型气压液体式转子在线自动平衡执行器示意图； 
图2平衡盘外置端面安装型气压液体式转子在线自动平衡执行器连通管示意图。 
图中：1、平衡盘，2、气源分配器，3、平衡盘底盘，4a、4b、4c、4d、储液室，5a、5b上下轴承，6、平衡盘内套，7a、7b、7c、7d、储液室通气孔，8a、8b、8c、8d、平衡盘内套气路，9ac、9bd连通管，10ac、10bd、平衡管，11ac、11bd、排空管，12a、12b、12c、12d、分配器环形槽，13a、13b、13c、13d、内套气路内端口，14a、14b、14c、14d、轴向气路通道，15a、15b、15c、15d、分配器进气口，16a、16b、16c、16d三通电磁阀，17、气源管道。 
具体实施方式
旋转设备虽然种类繁多，但是对自动平衡执行器都有两个基本要求：一个是对安装方式的要求，另一个是对平衡性能的要求。在安装方式上，有一类旋转设备允许在受控转子的端面上安装平衡执行器，比如外圆磨床砂轮的在线自动平衡；另一类旋转设备则要求自动平衡器必须安装在被平衡转子的中部，转子从自动平衡器的中心穿过，比如离心式压缩机转子的在线自动平衡。在平衡性能方面，有些旋转设备自身的不平衡量很小，但是对平衡精度等级要求很高；有些旋转设备自身的不平衡量可能很大，但对平衡精度的要求却比较低。 
随被平衡转子同步旋转的平衡盘和静止不动的气源分配器是本发明的两个基本组成部分。变换平衡盘与气源分配器的相对位置即可构成适应各种不同安装方式和平衡性能的自动平衡执行器。平衡盘外置内嵌气源分配器的结构形式，适用于在受控转子端面安装的结构形式，可以满足各种平衡能力需求；气源分配器外置内嵌平衡盘的结构形式，适用于穿轴安装结构，可以满足平衡能力较小而平衡精度较高的应用需求；平衡盘内外分置、气源分配器夹于中间的三层结构，是一种大平衡能力的穿轴安装结构形式。 
现以平衡盘外置内嵌气源分配器的结构形式(以下简称端面安装型)为例，记述本发明的具体实施方式： 
端面安装型气压液体式转子在线自动平衡执行器由平衡盘(1)和气源分配器(2)两大部分构成。圆形平衡盘底盘(3)的周边均布四个扇面形储液室(4a)、(4b)、(4c)、(4d)，内充平衡液。平衡盘底盘(3)固定在受控旋转轴的端面上或者镶嵌在受控旋转轴的内部，与旋转轴同步旋转。上、下两个轴承(5a)、(5b)以及平衡盘内套(6)镶在平衡盘(1)的内环壁上。储液室(4a)、(4b)、(4c)、(4d)在内环壁上各有一个通气孔(7a)、(7b)、(7c)、(7d)，分别与平衡盘内套(6)上的4条气路(8a)、(8b)、(8c)、(8d)相连通。在4个储液室(4a)、(4b)、(4c)、(4d)中充填适量的平衡液，位置相对的两室底部分别有连通管(9ac)、(9bd)接通。连通管(9ac)、(9bd)的中心点分别通过一段径向的平衡管(10ac)、(10bd)又与 排空管(11ac)、(11bd)连通，排空管的另一端连通大气；所述排空管的放置方向沿所述平衡执行器的轴向位置。见附图1和附图2。连通管(9ac)和(9bd)的中心点必须是连通管(9ac)和(9bd)的最小旋转半径点。 
圆柱形气源分配器(2)外周均匀地刻有4道环形槽(12a)、(12b)、(12c)、(12d)，并镶嵌在轴承(5a)、(5b)的内环中。气源分配器环形槽(12a)、(12b)、(12c)、(12d)的外侧分别与平衡盘内套(6)上的4条气路(8a)、(8b)、(8c)、(8d)的内端口(13a)、(13b)、(13c)、(13d)对齐，环形槽(12a)、(12b)、(12c)、(12d)的凹进部分分别与本体内的4条轴向气路通道(14a)、(14b)、(14c)、(14d)连通，环形槽之间的凸出部分与平衡盘内套(6)之间留有一定间隙。气源分配器(2)采用软支撑方式，始终处于自由静止状态。 
本发明用压缩空气驱动平衡液在位置相对的两个储液室之间按指定方向转移流动，实现旋转系统的自动平衡。压缩空气由气源分配器(2)的4个进气口(15a)、(15b)、(15c)、(15d)进入，经各自的轴向气路通道(14)、分配器环形槽(12)、平衡盘内套气路内端口(13)、平衡盘内套气路(8)和储液室通气孔(7)，输送到对应的储液室(4)内，实现气源由静止的气源分配器(2)到旋转平衡盘(1)的气压传递。在相对两个储液室气相压差的作用下，驱动平衡液定向转移，得以实现受控旋转系统的自动平衡。 
经气源管道(17)导入的4路压缩空气分别由4台三通电磁阀(16a)、(16b)、(16c)、(16d)控制通断。系统平衡时，4台三通电磁阀(16a)、(16b)、(16c)、(16d)均处于失电状态，气源被切断，储液室(4a)、(4b)、(4c)、(4d)分别通过三通电磁阀(16a)、(16b)、(16c)、(16d)的常开端口与大气连通。平衡盘高速旋转时，储液室(4a)、(4b)、(4c)、(4d)中的平衡液在旋转离心力的作用下都集中在各自的外侧。连通管9ac和9bd两端的液面分别与各自储液室(4a)、(4b)、(4c)、(4d)的液面保持在相同的旋转半径上。 
当系统不平衡量高出预定值时，控制器根据旋转系统的振动相位和振动幅值的测量值计算出所需平衡配重的质量和相位，进而计算出两组储液室(4a)、(4c)和(4b)、(4d)中平衡液各自的转移方向和转移质量，并转换成相应电磁阀的通电时间，实现对平衡液定向转移的控制。 
通过控制装置对电磁阀(16a)、(16b)、(16c)、(16d)通断频率和通断占空比的调节，可以达到理想的平衡响应速度、平衡灵敏度和平衡调节精度。 

Claims (10)

1.一种气压液体式转子在线自动平衡执行器，其主体结构包括一个与被平衡转子固定在一起同步旋转的平衡盘和一个静止不动的气源分配器；平衡盘有4个中心对称的扇面形储液室，每个储液室都有一个通气孔；气源分配器把来自三通电磁阀控制下的压缩空气传输到高速旋转的储液室中；其特征在于：4个储液室预先充入适量的平衡液，使用过程中没有液体的注入和排出；位置相对的两个储液室的液相通过连通管相连，以压缩空气为动力源驱动平衡液经连通管在两个储液室之间作可控性流动；每根连通管上都连接了一根指向旋转中心的平衡管，平衡管又与排空管的一端相连，排空管的另一端连通大气；所述排空管的放置方向沿所述平衡执行器的轴向位置；当停止向储液室通入压缩空气时，环境大气将被自动吸入排空管，经平衡管进入连通管，进而将连通管中的平衡液切为两段，并在离心力的作用下分别流向各自储液室，从而结束了一次液体转移过程；当电磁阀打开向储液室通入压缩空气时，平衡液开始流向对侧储液室，途径连通管中心时，部分平衡液将进入平衡管。进入平衡管的液体在高速旋转中产生的离心力阻止了平衡液继续流向排空管，平衡液不会从排空管中泄露；气源分配器外周均匀地刻有4道环形槽，并镶嵌在两个连接轴承的内圈中，整体装入平衡盘内套中；气源分配器环形槽的外侧分别与平衡盘内套上的4条气路的内端口对齐，环形槽的凹进部分分别与4条轴向气路通道连通。所述的气源分配器，通过分配器进气口、轴向气路通道、分配器环形槽以及储液室通气孔，构成了压缩空气的注入和排出的通道。
2.根据权利要求1所述的一种气压液体式转子在线自动平衡执行器，其特征在于：在两个连通管的中心点分别连接平衡管以及排空管，用于终止连通管中流体的流动和防止平衡液经排空管泄露。
3.根据权利要求1所述的一种气压液体式转子在线自动平衡执行器，其特征在于：环形槽之间的凸出部分与平衡盘内套(6)之间留有间隙。
4.根据权利要求1所述的一种气压液体式转子在线自动平衡执行器，其特征在于：位置相对的两个储液室的液相只用一根连通管相连，平衡液在连通管内可以进行双向可控性流动，连通管中无任何流体控制设备。
5.根据权利要求1所述的一种气压液体式转子在线自动平衡执行器，其特征在于：三通电磁阀为静止部件，不随旋转系统旋转。
6.根据权利要求1所述的一种气压液体式转子在线自动平衡执行器，其特征在于：连通管由储液室对称轴线的外缘点引出。
7.根据权利要求1所述的一种气压液体式转子在线自动平衡执行器，其特征在于：连通管中心点的旋转半径小于整个连通管其余各点的旋转半径。
8.根据权利要求1所述的一种气压液体式转子在线自动平衡执行器，其特征在于：气源分配器与平衡盘之间用轴承连接，以无密封材料、非接触耦合的方式实现压缩气体在静、动部件之间的传输；气源分配器自身采用软支撑方式，始终处于静止自由状态。轴承的内外圈只有一个转动，另一个处于静止自由状态，负荷近于零。
9.根据权利要求1所述的一种气压液体式转子在线自动平衡执行器，其特征在于：储液室进气路径采取回盘或抬高进气口方式，使自动平衡执行器在停止旋转时，储液室内的平衡液不会经进气口外泄。
10.根据权利要求1所述的一种气压液体式转子在线自动平衡执行器，其特征在于：气源管道导入的4路压缩空气分别由4台三通电磁阀控制通断，所述的4路压缩空气分别接到4个储液室中。 
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