RU2210014C2

RU2210014C2 - Self-balancing device

Info

Publication number: RU2210014C2
Application number: RU2001108817/28A
Authority: RU
Inventors: В.М. Безпечный
Original assignee: Институт проблем машиноведения РАН
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2003-08-10

Abstract

FIELD: balancing facilities. SUBSTANCE: invention can be used for self-balancing of rotating masses at dynamic duty within the range of supercritical speeds. Proposed device contains housing with closed cross section ring space accommodating ball counterweights made of plastic material with diameter not exceeding 1/2 of height of ring space outer wall. Device is furnished with activator of initial movement of ball counterweights in from of projection on side wall of ring space, leaving clearance between projections and outer wall of ring space not less than diameter of ball counterweight. EFFECT: elimination of slipping of counterweights at rotor acceleration. 4 dwg

Description

Изобретение относится к балансировочной технике и может быть использовано для самобалансировки вращающихся масс в динамическом режиме в диапазоне закритических /выше резонансных/ оборотов. The invention relates to a balancing technique and can be used for self-balancing of rotating masses in dynamic mode in the range of supercritical / above resonant / revolutions.

Известно множество конструкций самобалансирующих устройств, объединенных в класс пассивных автобалансиров, принцип построения которых основан на использовании эффекта Лаваля-Сирля /de Laval, Thearle/, заключающегося в способности подвижных масс, связанных с вращающимся валом, при определенных условиях занимать положения контрдисбаланса, т.е. компенсировать исходную несбалансированность вращающейся системы ротор-балансир в диапазоне закритических оборотов/. Достоинством подобных устройств является способность балансировать в динамическом режиме заранее неизвестный или изменяющийся во время работы дисбаланс при относительно небольшой сложности конструкции. There are many designs of self-balancing devices, combined into a class of passive auto-balancers, the construction principle of which is based on the use of the Laval-Sirl effect / de Laval, Thearle /, which consists in the ability of moving masses associated with a rotating shaft, under certain conditions, to occupy counter-imbalance positions, i.e. . to compensate for the initial imbalance of the rotating rotor-balancer system in the range of supercritical revolutions. The advantage of such devices is the ability to balance in an unbalance a previously unknown or changing imbalance during operation with a relatively small design complexity.

К недостаткам пассивных автобалансиров следует отнести тенденцию к внесению дополнительной несбалансированности при разгоне /в диапазоне докритических оборотов/ и, как правило, низкую стабильность работы. Тенденция к увеличению исходного дисбаланса принципиально обусловлена природой работы пассивного автобалансира при разгоне, а нестабильность работы возникает из-за разброса начальных условий движения системы ротор-балансир от пуска к пуску. Преодоление этих недостатков для большинства схем построения пассивных автобалансиров требует создания дополнительных "обслуживающих" устройств, что приводит к неадекватному усложнению конструкций и, как следствие, к резкому сокращению возможности их реализации [1,2,3]. The disadvantages of passive auto-balancers include the tendency to introduce additional imbalance during acceleration / in the range of subcritical revolutions / and, as a rule, low stability of operation. The tendency to increase the initial imbalance is fundamentally determined by the nature of the work of the passive auto-balancer during acceleration, and the instability of work arises due to the scatter of the initial conditions of movement of the rotor-balancer system from start to start. Overcoming these shortcomings for most schemes for constructing passive auto-balancers requires the creation of additional “servicing” devices, which leads to inadequate complexity of structures and, as a result, to a sharp reduction in the possibility of their implementation [1,2,3].

Более перспективным в этом плане является самобалансирующее устройство с нелинейным демпфированием подвижных противовесов - прототип, содержащее корпус, имеющий замкнутую кольцевую полость прямоугольного поперечного сечения с гладкой внутренней поверхностью, внутри которой размещены шаровые противовесы, выполненные из пластически деформируемого при соударениях материала. Диаметр шаровых противовесов составляет не более 1/2 высоты внешней стенки полости /обода/, а количество шаровых противовесов таково, что, касаясь друг друга, они занимают от 1/8 до 1/2 площади обода. Благодаря использованию большого количества "легких" противовесов и нелинейному демпфированию их движения устройство-прототип при простоте конструкции обеспечивает стабильность работы балансирующего устройства без каких-либо дополнительных мер [4]. More promising in this regard is a self-balancing device with non-linear damping of movable balances - a prototype containing a housing having a closed annular cavity of rectangular cross section with a smooth inner surface, inside of which are placed ball balances made of plastic deformable during collisions of the material. The diameter of the ball balances is not more than 1/2 the height of the outer wall of the cavity / rim /, and the number of ball balances is such that, touching each other, they occupy from 1/8 to 1/2 of the rim. Due to the use of a large number of "light" counterweights and non-linear damping of their movement, the prototype device with the simplicity of design ensures the stability of the balancing device without any additional measures [4].

Однако в устройстве сохраняется тенденция к внесению дополнительной несбалансированности ротора при разгоне. Неблагоприятные ситуации могут также возникать при горизонтальной ориентации оси вращения ротора, когда шаровые противовесы, скатившиеся до начала вращения в нижнюю часть полости, из-за гладкости внутренней поверхности полости с началом вращения не могут сразу распределиться по всей поверхности обода и пробуксовывают в нижней его части компактной группой в несколько слоев, что приводит к затягиванию процесса балансировки. However, the device continues to tend to introduce additional rotor imbalance during acceleration. Adverse situations can also occur when the rotor axis of rotation is horizontally oriented, when the ball counterweights that rolled down to the lower part of the cavity before the start of rotation cannot be immediately distributed over the entire surface of the rim due to the smoothness of the inner surface of the cavity with the beginning of rotation and slip in the lower part of the rim group in several layers, which leads to a delay in the balancing process.

Задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении равной работоспособности автобалансира при любой ориентации оси вращения ротора и в повышении стабильности и эффективности работы за счет устранения пробуксовки шаровых противовесов на ободе при разгоне ротора с горизонтальной осью вращения и нейтрализации тенденции к внесению дополнительной несбалансированности в диапазоне докритических оборотов ротора. The problem solved by the invention is to ensure equal performance of the auto-balancer for any orientation of the axis of rotation of the rotor and to increase stability and efficiency by eliminating slipping ball counterweights on the rim during acceleration of the rotor with a horizontal axis of rotation and neutralizing the tendency to introduce additional imbalance in the range of subcritical revolutions rotor.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее корпус, имеющий замкнутую кольцевую полость прямоугольного поперечного сечения с гладкой внутренней поверхностью, внутри которой размещены шаровые противовесы, выполненные из пластически деформируемого при соударениях материала, вводится активатор начального движения шаровых противовесов, предназначенный для принудительного равномерного распределения шаровых противовесов в кольцевой полости на первых же оборотах ротора при разгоне, выполненный в виде одного или нескольких симметрично расположенных относительно центра кольцевой полости выступов произвольной формы на боковой стенке кольцевой полости. The problem is solved in that in a device containing a housing having a closed annular cavity of rectangular cross-section with a smooth inner surface, inside of which are placed ball counterweights made of plastically deformable material under collisions, an activator of the initial movement of ball counterweights designed for forced uniform distribution is introduced ball counterweights in the annular cavity at the first rotor revolutions during acceleration, made in the form of one or several any symmetrically arranged protrusions of arbitrary shape relative to the center of the annular cavity on the side wall of the annular cavity.

Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически изображено самобалансирующее устройство и расположение шаровых противовесов в кольцевой полости при вертикальной /а/ и горизонтальной /в/ ориентации оси вращения ротора; на фиг.2 изображено расположение шаровых противовесов на ободе в процессе разгона; на фиг.3 схематически изображено движение шаровых противовесов в процессе балансировки. The above essence is illustrated by drawings, where figure 1 schematically shows a self-balancing device and the location of the ball balances in the annular cavity with a vertical / a / and horizontal / in / orientation of the axis of rotation of the rotor; figure 2 shows the location of the ball counterweights on the rim during acceleration; figure 3 schematically shows the movement of ball balances in the process of balancing.

Самобалансирующее устройство содержит корпус 1, имеющий кольцевую полость 2 прямоугольного поперечного сечения, размещенные в ней шаровые противовесы 3, изготовленные из материала, способного к пластической деформации при соударениях в условиях работы устройства, и активатора начального движения шаровых противовесов, выполненного в виде одного или нескольких симметрично расположенных относительно центра кольцевой полости 2 выступов 4 /стержней/ произвольной формы на боковой /боковых/ стенке кольцевой полости 2 /фиг. 1/. Стержни 4 активатора располагаются внутри кольцевой полости 2 таким образом, чтобы просвет между ними и ободом был не меньше диаметра шаровых противовесов 3, т.е. так, чтобы активатор не влиял на движение шаров 3 по ободу кольцевой полости 2. Высота выступов 4 не имеет существенного значения и может варьироваться в пределах от величины диаметра шаров 3 до ширины обода кольцевой полости 2. Число выступов 4 активатора также некритично для работы устройства, однако наличие их в кольцевой полости 2 не должно существенно ограничивать свободу перемещений шаровых противовесов 3. Шаровые противовесы 3, расположенные на ободе в один слой, касаясь друг друга, занимают от 1/8 до 1/2 площади обода, а их диаметр должен быть менее 1/2 ширины обода. The self-balancing device comprises a housing 1 having an annular cavity 2 of rectangular cross-section, spherical balances 3 placed therein, made of a material capable of plastic deformation during collisions under the operating conditions of the device, and an activator of the initial movement of the ball balances, made in the form of one or several symmetrically protrusions 4 / rods / of arbitrary shape located relative to the center of the annular cavity 2 on the lateral / lateral / wall of the annular cavity 2 / Fig. 1/. The activator rods 4 are located inside the annular cavity 2 so that the gap between them and the rim is not less than the diameter of the ball counterweights 3, i.e. so that the activator does not affect the movement of the balls 3 along the rim of the annular cavity 2. The height of the protrusions 4 is not significant and can vary from the diameter of the balls 3 to the width of the rim of the annular cavity 2. The number of protrusions 4 of the activator is also not critical for the operation of the device, however, their presence in the annular cavity 2 should not significantly limit the freedom of movement of the ball balances 3. Ball balances 3 located on the rim in one layer, touching each other, occupy 1/8 to 1/2 of the rim area, and their diameter should be It is less than 1/2 the width of the rim.

Самобалансирующее устройство работает следующим образом. Self-balancing device operates as follows.

В исходном положении, до начала вращения ротора, шаровые противовесы 3 располагаются в кольцевой полости 2 либо произвольно /при вертикальной ориентации оси вращения вала/ /фиг.1,а/, либо сгруппированы в нижней части обода кольцевой полости 2 /при наклонной или горизонтальной ориентации оси вращения/ /фиг.1,в/. С началом вращения выступы 4 активатора ударяют по всем шаровым противовесам 3, не касающимся обода кольцевой полости 2, в результате чего все шаровые противовесы 3 на первых же оборотах ротора разбрасываются по всему ободу и, далее, под действием центробежных сил располагаются на нем в один слой и в несколько рядов /фиг.2/. На этом действие активатора прекращается, т.к. все шаровые противовесы 3 располагаются на ободе, в один слой, и просвет не позволяет выступам 4 активатора влиять в дальнейшем на их поведение. При достижении ротором критических /резонансных/ оборотов в системе ротор-балансир возникают силы, стремящиеся переместить подвижные массы вдоль обода к положению уравновешивания, имеющегося в системе дисбаланса [1,2] , в результате чего шаровые противовесы 3 начинают перемещаться по ободу кратчайшими путями к положению контрдисбаланса двумя встречными потоками /фиг. 3/. В зоне положения контрдисбаланса происходит лавинообразное многократное столкновение шаровых противовесов 3 обоих потоков, сопровождающееся потерей кинетической энергии движения шаров на пластическую деформацию их при соударениях и приводящее к формированию неподвижной относительно обода балансирующей группы шаровых противовесов 3. При накоплении полной балансирующей массы противовесов поле балансирующих сил исчезает, а не вошедшие в балансирующую группу шаровые противовесы 3, потеряв тенденцию направленного движения и рассеяв свою кинетическую энергию в хаотических соударениях друг с другом и со стенками, под действием трения окончательно останавливаются на ободе случайным образом, не нарушая установившейся балансировки. Это состояние сохраняется далее во всем диапазоне оборотов вращения ротора почти до полной остановки. In the initial position, before the rotor begins to rotate, the ball counterweights 3 are located in the annular cavity 2 either arbitrarily / with a vertical orientation of the axis of rotation of the shaft / / Fig. 1, a /, or are grouped in the lower part of the rim of the annular cavity 2 / with an inclined or horizontal orientation rotation axis / / Fig. 1, b /. With the beginning of rotation, the activator protrusions 4 hit all the ball counterweights 3 not touching the rim of the annular cavity 2, as a result of which all the ball counterweights 3 at the first rotor revolutions are scattered throughout the rim and, further, under the action of centrifugal forces are located on it in one layer and in several rows / Fig. 2/. On this, the action of the activator stops, because all ball balances 3 are located on the rim, in one layer, and the lumen does not allow the protrusions 4 of the activator to influence their behavior in the future. When the rotor reaches critical / resonance / revolutions in the rotor-balancer system, forces arise that tend to move the moving masses along the rim to the balancing position in the imbalance system [1,2], as a result of which the ball balances 3 begin to move along the rim by the shortest paths to the position counter-imbalance by two oncoming flows / Fig. 3 /. In the position zone of the counter-imbalance, an avalanche-like multiple collision of ball balances 3 of both flows occurs, accompanied by the loss of kinetic energy of the balls to plastic deformation during collisions and leading to the formation of a balancing group of ball balances relative to the rim 3. When the total balancing mass of the balances is accumulated, the field of balancing forces disappears, instead of the ball counterweights 3 included in the balancing group, having lost the tendency of directional movement and scattered with Oy kinetic energy of random collisions with each other and with the walls, by friction finally stop on the rim randomly without violating the established balancing. This state persists further in the entire range of rotational speed of the rotor until it comes to a complete stop.

Процесс самобалансирования возобновляется всякий раз при изменении дисбаланса в процессе работы механизма. При непрерывном изменении дисбаланса компенсация его происходит скачками, частота которых определяется чувствительностью устройства. The process of self-balancing is resumed every time an imbalance changes during the operation of the mechanism. With a continuous change in the imbalance, its compensation occurs in jumps, the frequency of which is determined by the sensitivity of the device.

Многократные случайные соударения практически не изменяют шарообразную форму противовесов 3. Multiple random collisions practically do not change the spherical shape of the counterweights 3.

Предлагаемое устройство, сохранив достоинства прототипа - эффективность и точность балансировки при простоте и универсальности конструкции - обеспечивает равную работоспособность автобалансира при любой ориентации оси вращения ротора, повышает стабильность процесса балансировки вследствие достижения идентичности /в вероятностном аспекте/ начальных условий движения системы ротор-балансир при повторных запусках и значительно снижает вероятность внесения устройством дополнительного дисбаланса при разгоне в диапазоне докритических оборотов за счет автоматического принудительного разбрасывания активатором шаровых противовесов по всему ободу кольцевой полости в самом начале вращения ротора. Результатом изобретения является расширение области применения устройства. The proposed device, preserving the advantages of the prototype — the efficiency and accuracy of balancing with the simplicity and versatility of the design — ensures equal performance of the auto-balancer for any orientation of the axis of rotation of the rotor, increases the stability of the balancing process due to the identity / in the probabilistic aspect / initial conditions of movement of the rotor-balancer system during repeated starts and significantly reduces the likelihood of the device introducing additional imbalance during acceleration in the subcritical range revolutions by automatically forced spreading activator ball balances around the rim of the annular space at the beginning of rotation of the rotor. The result of the invention is the expansion of the scope of the device.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ден-Гартог Дж.П., Механические колебания, перев. с англ., М.:Физматгиз, 1960, стр.319-321.LIST OF USED LITERATURE
1. Den-Hartog, J. P., Mechanical vibrations, trans. from English., M.: Fizmatgiz, 1960, pp. 319-321.

2. Блехман И. И. , Синхронизация динамических систем, М.: Наука, 1971, стр.66-69, стр.791-796. 2. Blekhman I.I., Synchronization of dynamical systems, Moscow: Nauka, 1971, pp. 66-69, pp. 791-796.

3. Справочник по балансировке под ред. проф. М.Е. Левита, М.: Машиностроение, 1992, стр.239-257. 3. Reference balancing ed. prof. M.E. Levita, Moscow: Engineering, 1992, pp. 239-257.

4. Патент РФ 2063011 "Самобалансирующее устройство", автор В.М. Безпечный, G 01 M 1/02, Бюл. 18, 1996г. - прототип. 4. RF patent 2063011 "Self-balancing device", author V.М. Bezpechny, G 01 M 1/02, Bull. 18, 1996 - prototype.

Claims

A self-balancing device for rotating masses, comprising a housing having a closed annular cavity of rectangular cross section, inside of which are placed ball counterweights made of plastically deformable material under collisions and having a diameter of not more than 1/2 the height of the outer wall of the annular cavity, characterized in that in the device an activator of the initial movement of ball counterweights in the form of protrusions on the side wall of the annular cavity was introduced, leaving a gap between them and the outer wall of the annular polo not less than the diameter of the ball counterweight.