WO2001049918A1 - Maquina centrifugadora con grupo flotante en suspension y tambor en voladizo - Google Patents

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WO2001049918A1
WO2001049918A1 PCT/ES2000/000003 ES0000003W WO0149918A1 WO 2001049918 A1 WO2001049918 A1 WO 2001049918A1 ES 0000003 W ES0000003 W ES 0000003W WO 0149918 A1 WO0149918 A1 WO 0149918A1
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drum
mass
fluid
wall
counterweight
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PCT/ES2000/000003
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Inventor
Ramon Sans Rovira
Ignasi Riera Curcoll
Carles Riba Romeva
Original Assignee
Girbau, Sa
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    • D06F—LAUNDERING, DRYING, IRONING, PRESSING OR FOLDING TEXTILE ARTICLES
    • D06F37/00—Details specific to washing machines covered by groups D06F21/00 - D06F25/00
    • D06F37/20—Mountings, e.g. resilient mountings, for the rotary receptacle, motor, tub or casing; Preventing or damping vibrations
    • D06F37/22—Mountings, e.g. resilient mountings, for the rotary receptacle, motor, tub or casing; Preventing or damping vibrations in machines with a receptacle rotating or oscillating about a horizontal axis
    • D06F37/225—Damping vibrations by displacing, supplying or ejecting a material, e.g. liquid, into or from counterbalancing pockets
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06F—LAUNDERING, DRYING, IRONING, PRESSING OR FOLDING TEXTILE ARTICLES
    • D06F37/00—Details specific to washing machines covered by groups D06F21/00 - D06F25/00
    • D06F37/20—Mountings, e.g. resilient mountings, for the rotary receptacle, motor, tub or casing; Preventing or damping vibrations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/32—Correcting- or balancing-weights or equivalent means for balancing rotating bodies, e.g. vehicle wheels

Definitions

  • the present invention concerns in general a centrifuge machine with floating floating group and cantilever drum, of special application to washing-centrifuge machines provided for high spin speeds with high G factors, in which said floating group comprises in essence, a wrapping tray for containing and / or collecting a bath, a drum with perforated walls for loading centrifugal material mounted so that it can rotate within said wrapping bowl, and a motor attached to the wrapping bowl and connected to said drum to make it rotate, in whose machine an adequate ratio of counterweight masses results in a reduction of structural tensions in the floating group that allow a light construction thereof, and especially of the wrapping bowl.
  • Prior art comprises in essence, a wrapping tray for containing and / or collecting a bath, a drum with perforated walls for loading centrifugal material mounted so that it can rotate within said wrapping bowl, and a motor attached to the wrapping bowl and connected to said drum to make it rotate, in whose machine an adequate ratio of counterweight masses results in a reduction of structural tensions in the floating group that allow a light construction thereof, and
  • the method of extracting water from a wet matter by centrifugation is well known and is widely used in, for example, the laundry sector, whether industrial or domestic, due to its high extraction efficiency in relation to energy expenditure in comparison With other methods.
  • this sector it is very common to use machines capable of washing and subsequently centrifuging a load of clothes introduced in a perforated wall drum mounted so that it can rotate inside a wrapping bowl capable of containing successive wash and rinse baths, and of collect the remains said bath removed from the clothes during a final phase of centrifugation.
  • one or more motors are connected to the drum to make it rotate successively at different speeds according to the washing, rinsing and spinning stages, governed by programmable control means.
  • the drum is positioned so that during its operation its axis of rotation is horizontal or slightly inclined with respect to the horizontal, and that it has a loading / unloading mouth at an axial end thereof, coinciding with an opening of the enveloping bucket.
  • This is especially advantageous in industrial machines intended for large loads of clothes in which a radial loading mouth would result in very complex access due to its high height.
  • the existence of such a loading mouth unloading at one end of the drum forces it to support it cantilever from the axial end opposite to the loading / unloading mouth, by means of a drive shaft integral to a bottom wall of the drum, supported and guided by bearings housed in a bearing housing fixed to the housing.
  • Such a relative position due to chance has a very high probability of producing a center of the masses of the off-center load of clothes with respect to the geometric axis of the drum, which is aligned with the drive shaft, and therefore the center of mass of the drum assembly and load of clothes will also be displaced with respect to said geometric axis.
  • said drum and laundry load assembly will tend to rotate with respect to said offset mass center of the geometric axis of the drum, or in other words, the geometric axis of the drum will tend to rotate around a real axis of different rotation of the geometric axis, producing a well-known vibratory movement that is transmitted to the entire floating group.
  • Said vibratory movement is generally slowed by the addition of counterweights and absorbed by the aforementioned floating group suspension system, formed by springs and dampers linked to a frame or bench of the machine.
  • the fluid inside the balancing chamber is applied against said outer wall thereof, which is coaxial with respect to the geometric axis of the drum, while defining an internal circular horizon coaxial with respect to the real axis of rotation, creating a center of mass of said fluid displaced with respect to the real axis of rotation in a direction precisely opposite to the displacement of the center of mass of the load of clothes, and therefore balancing thereof.
  • Jey Grant De Remer describes in the aforementioned US-A-2,525,781 patent that the optimum balancing situation occurs when the radial height at the point of maximum radial height of the fluid inside the balancing chamber is twice the distance between the geometric axis and the real axis of rotation, that is, twice the amplitude of the vibratory movement of the machine, and when the circle of the outer wall of the chamber and the circle of the circular horizon of the fluid are tangent at a point diametrically opposite to the of maximum height.
  • Jey Grant De Remer also demonstrates that it is more favorable to have two concentric balancing chambers instead of a single chamber of equivalent height to the sum of the other two, with the same width and a quantity of fluid contained equivalent to that of the other two joints .
  • the aforementioned dynamic "pitching" effects consist of a dynamic displacement of the drum axis, and consequently of the floating group, which has a different amplitude at each of its ends, generally being, in this type of machines, of greater amplitude in the drum end furthest from the bearings.
  • moveable solid mass rings for example, by an embodiment of the SKF firm, which include solid balls, generally of steel, enclosed in an annular circuit, which, being the assembly subjected to a rapid off-center rotation that produces G factors greater than 1, is concentrated in the area of said annular circuit furthest from the real axis of rotation.
  • a locking device is provided formed by cages that match the balls two at a time, in whose cages there is a pin loaded by a spring, which, at factors G less than 1, pushes the pin so that it is inserted in holes arranged in the inner race of the annular circuit.
  • the pin's own mass When the factors G are substantially greater than 1, the pin's own mass generates a centrifugal force that overcomes the said spring by releasing the cage with its corresponding pair of balls, which then move until they are concentrated in said area furthest from the real axis of rotation.
  • Patent DE-A-1610177 from Siemens-Electrogeráte GmbH, filed on October 6, 1967, describes a clothes washer-centrifuge machine in which a single ring of balancing fluid is disposed at the end of the drum closest to the bearings The ring comprises a chamber of relatively large capacity and means for partially filling with fluid or emptying said chamber depending on the washing and spinning phases.
  • the drum has a slightly conical shape, decreasing in diameter when moving away from the bearings, which favors an advantageous accumulation of the load of clothes towards the wider area, that is, towards the area closest to the bearings.
  • the arrangement of the fluid ring in this wider area does not favor dynamic mass balance.
  • the general practice of the manufacturers of washing machines-centrifuges is to place solid counterweights fixed to the enclosure and, to a lesser extent, to the drum. Because the heaviest elements of the floating group, that is, motor, bearing housing, bearings, reinforced bottom walls of the drum and the enclosure, are concentrated at the rear end, or further away from the loading mouth, of the floating group, the solid counterweights are placed mainly at the front ends, or closer to the loading mouth, of the drum and the bucket.
  • front and rear referring to parts of the casing or drum are often used as those parts respectively further away or closer to the bearings.
  • a washing machine washer-centrifuge machine from the Maytag Corporation firm is known in the market that combines a large counterweight fixed to the front, or farther from the bearings, of the wrapping bowl with two fluid balancing rings, such as those of the cited patent US-A-2,525,781, concentric, on the front face of the drum, in an outer peripheral area of the loading / unloading mouth.
  • the advantage of the fluid rings lies, as explained above, in that with a relatively small real mass of fluid they provide an effect in centrifugal force equivalent to that of a much larger mass, thereby achieving the desired balancing effect without excessively increasing the moment of inertia of the drum.
  • An objective of the present invention is to provide a centrifuge machine with floating floating group and cantilever drum, applicable to washing machines-centrifuges provided for high spin speeds with high G factors, in which a suitable distribution of counterweight masses result in a reduction of stromal stresses that allow the construction of the main elements of said floating group, such as the enclosure, the drum, said bearing housing, the bearings and said drive shaft, with mechanical resistance requirements, whether by shape, materials or components, substantially smaller than those necessary without such adequate distribution of masses, for the same high-speed centrifugation performance, and consequently with lower costs.
  • This objective is achieved, in accordance with the present invention, by transferring a significant part of the counterweight associated with the front part of the wrapping tray to the front part of the drum, so that the mass, either real or equivalent obtained by fluid rings , of the mass of said counterweight associated with the drum is at least 55% of the sum of the masses of the counterweight associated with the drum and of the counterweight associated with the wrapping bowl.
  • real mass and equivalent mass for the drum will often be used in this report, respectively referring to a counterweight, generally solid, with a mass of one given magnitude and centered with the geometric axis of the drum and at a counterweight of a much smaller magnitude and in the form of one or more fluid rings which, when rotating at a speed such that it produces a G factor greater than 1 and above the frequency of resonance of the floating group, it is offset at a distance far greater than the amplitude of the dynamic displacement of the floating group producing dynamic effects equivalent to those of said mass of given magnitude.
  • the said mass transfer is very beneficial and translates into a significant cost reduction, since, for example, the enclosure can become a welded stainless steel sheet construction, common in machines of more than 7 kg capacity and centrifugation value of 250 G or higher, to a construction by injection molding of plastic, integrating the bearing housing that would otherwise be a steel casting, and the drive shaft and the corresponding bearings can be much smaller and therefore also cheaper.
  • a general lightening of weight in machines of this type also implies greater ease of transport and lower demands in terms of the structural strength of its installation site.
  • the suspension system is capable of absorbing a certain amplitude of vibration of the floating group, so that a relatively large vibratory movement does not represent a disadvantage from a mechanical point of view as long as it is within the range capable of being absorbed by the suspension.
  • the aforementioned amplitude of the vibratory movement is generally greater in the front part of the floating group than in the rear, which entails greater flexibility requirements in elastic connections usually arranged between a Rack door and loading / unloading mouth of the front of the floating group, in addition to an unpleasant visual sensation for a user. Therefore, it is advisable to reduce said amplitude of vibration by providing a certain weight of counterweight at the front end of the housing in addition to the mass of counterweight arranged on the front of the drum.
  • the present inventors have come to determine that from a relation of the mass of the counterweight associated to the front part of the drum with respect to the sum of the masses of the counterweights respectively associated to the front part of the drum and the front part of the bucket of 55%, the beneficial effects of said mass transfer object of the constructive principle of the present invention are sufficiently important as to allow the mentioned light construction of the floating group.
  • Figs . la and Ib are comparative schematic representations of a drum of a centrifuge machine supported and guided by its two ends and a drum of a centrifuge machine supported and cantilevered, respectively;
  • Figs. 2a and 2b are comparative schematic representations illustrating those parts subjected to structural stresses in a floating group of the state of the art of clothing and in a floating group according to the present invention, respectively;
  • Figs. la and Ib are comparative schematic representations illustrating those parts subjected to structural stresses in a floating group of the state of the art of clothing and in a floating group according to the present invention, respectively;
  • Figs. la and Ib are comparative schematic representations illustrating those parts subjected to structural stresses in a floating group of the state of the art of clothing and in a floating group according to the present invention, respectively;
  • FIG. 3a, 3b and 3c are diagrams of forces that will serve to explain the effects of the forces acting on the floating group, on the drum 20 and on the enclosure 10, respectively;
  • Fig. 4 is a graph of the results of a simulated test example illustrating the evolution of the bending moments on the drum drive shaft against different percentages of counterweight mass distribution.
  • Figs. 5a-5d are schemes that illustrate the deduction of the equivalence between the real mass and equivalent mass values obtained in a fluid balancer ring;
  • Fig. 6 is a simplified sectional view of a side elevation of a clothes washer-centrifuge machine according to the present invention;
  • Fig. 7 is a sectional view of an elevation illustrating a detail of an alternative embodiment of the drum.
  • FIG. la and Ib it is illustrated how the fact of arranging an axial access loading / unloading mouth 28 (Fig. Ib) in the drum 20 is ergonomically advantageous but strongly penalizes the efforts to which its structural elements are subjected under the influence of a force F exerted by the mass of a wet laundry load Q, subjected to a centripetal acceleration due to the rotation of said drum.
  • Fig. A drum 20 is illustrated with a mouth of loading / unloading 28a of radial access.
  • Axes 16a, 16b, supported and guided by bearings A, B protrude from the walls of both ends of the drum.
  • the drum of Fig. Ib of the same dimensions as the drum of Fig. La, has an axial access loading / unloading mouth 28a, located on a wall of one end and therefore is supported and guided through an axis 16, which protrudes from the wall of the opposite end, inserted in bearings A and B.
  • the present invention relates to machines comprising a cantilever supported drum of the type of Fig. Ib.
  • the drum is supported in a cantilever inside a wrapper, a motor being fixed to the bowl and connected to the drum so that it can rotate inside it.
  • the envelope, drum and motor tray assembly constitutes the so-called “floating group", which is suspended from a frame or bench by suspension means comprising elastic elements and dampers in order to absorb the vibratory movements generated by the off-center mass of the load of clothes during the spin.
  • FIGs. 2a and 2b are shown two floating groups of a machine of the state of the art and of a machine according to the present invention, respectively, formed by an enveloping tray 10 comprising an outer wall 12 of revolution around a geometric axis M, and a bottom wall 14 on which a bearing housing 30 is fixed in which bearings A, B are housed.
  • a drum 20 which also has an outer wall 22 of revolution around said axis geometric M, and a bottom wall 24 on which a drive shaft 16 is attached inserted in the aforementioned bearings A, B.
  • the enclosure tray 10 and the drum 20 have, on their faces opposite to the bottom walls, respective mouths loading / unloading 18, 28, axial access, matching.
  • a pulley is mounted to which connects a motor (uncle illustrated in Figs. 2a and 2b) by a belt drive to rotate the drum inside the bucket.
  • a counterweight 40 is fixed to the front part of the enclosure cuvette 10, while in the floating group according to the present invention (Fig. 2b), a counterweight 42 is fixed to the front of the drum.
  • a force F ⁇ is applied, represented by an arrow, exerted by a load of clothes Q.
  • the counterweight 40 associated with the tray 20 exerts a force represented by an arrow F CE in Fig. 2a while the counterweight 42 associated with the drum 20 exerts a force represented by an arrow F CT in Fig. 2b.
  • the balancing forces are transmitted along a long path from the load F ⁇ applied to the drum (laundry load Q) to the balancing force F CE associated with the bucket (counterweight 40).
  • the parts and components that are subjected to significant tension are the outer wall 22 and the bottom wall 24 of the drum 20, the drive shaft 16, the bearing housing 30, the bearings A and B, and the bottom wall 14 and the outer wall 12 of the housing 10.
  • the balancing forces are transmitted through a much shorter path, ranging from the balancing force F CT associated with the drum (counterweight 42) to the bearing reactions, passing by the load F ⁇ applied to the drum (laundry load Q).
  • the parts and components that are subjected to tension are the outer wall 22 and the bottom wall 24 of the drum 20, the drive shaft 16, the bearing housing 30 and the bearings A and B, although the stresses on the shaft motor 16, the bearing housing 30 and the bearings A and B are smaller because the forces F ⁇ and F CT have opposite directions and produce opposite bending moments that are counteracted on the shaft 16.
  • the bottom and exterior walls 14, 12 of the enclosure tray 10 are released from tensions attributable to forces exerted by the counterweight masses.
  • the counterweight 42 associated with the front part of the drum, is combined with a counterweight 40, of a minor sensitive mass, associated with the enclosure, in order to contain the amplitude of the dynamic movement within about ergonomically adequate limits.
  • the counterweight 42 fixed at the front of the drum can be of real mass, although it is preferable that it be of an equivalent mass obtained by dynamic effect on movable masses, such as the fluid rings explained above, or as rings through which solid bodies move freely, for example, metal balls.
  • the essential contribution of the present invention is that the main counterweight is the counterweight 42 associated with the front part of the drum 20 in the floating group, its mass, real or equivalent, being at least 55% of the total mass of the counterweights associated to the front part of the floating group, that is, of the sum of the masses of the counterweights 40 and 42 associated respectively to the front parts of the wrapper 10 and the drum.
  • Figs. 3a, 3b and 3c are diagrams of forces that will serve to explain the dynamic effects of the forces acting on the floating group, on the drum 20 and on the wrapper 10, respectively.
  • FIG. 3a schematically shows the floating group formed by the enclosing tray 10 comprising the outer wall 12 and the bottom wall 14 on which the bearing housing 30 in which the bearings A and B are housed is fixed.
  • said wrapping bowl is arranged the drum 20 having the corresponding outer wall 22 and the bottom wall 24 on which the drive shaft 16 is attached to said bearings A, B.
  • the wrapping bowl 10 and the drum 20 have, in their faces opposite the bottom walls, the respective loading / unloading mouths 18, 28, of axial access, matching. The engine has been skipped again.
  • Cartesian coordinate system consisting of: O: Origin of coordinates; located in the center of the bearing A at rest.
  • Y axis Direction along the axis of rotation of the drum; positive direction from the Origin to the loading / unloading mouth 28.
  • X axis Direction parallel to the direction of the imbalance of the load of clothes; positive sense from the Origin towards the outside parallel to the imbalance of the load of clothes.
  • Axis r The corresponding according to the rule of the right hand.
  • F E Centrifugal force due to the mass of the envelope cuvette without counterweights
  • F CT Centrifugal force due to the mass of the counterweight associated with the drum
  • F CE Centrifugal force due to the mass of the counterweight associated with the enclosure tray G ⁇ .
  • G E Center of masses of the wrapping bucket without counterweights
  • Mass of the counterweight associated with the drum 20 results: Mass of the counterweight associated with the drum
  • light or “light construction” is meant a type of construction with requirements of mechanical strength, whether by shape, materials or components, substantially lower than those that would be necessary without the implementation of the constructive principle of the present invention to Same high-speed spin performance.
  • the final objective of the aforementioned mass transfer from the counterweight 40 associated with the enclosure cuvette 10 towards the counterweight 42 associated with the drum 20 is to promote a reduction in structural stresses that allow a lighter construction, and by consequently more economical, of the floating group.
  • Said stress reduction can be exemplified by the reactions R A and R B of the bearings A and B, since these affect the bearings A, B themselves, the Hector moments on the drive shaft 16, the stresses on the box from bearings 30, and on the bottom walls 14, 24 of the wrapper 10 and the drum 20, and so on.
  • a counterweight in the drum entails disadvantages, especially economic ones, associated with the need to use materials resistant to corrosion because said counterweight will be subjected to the baths of the washing and rinsing processes, including detergents and bleach at relatively high temperatures. If said nic ⁇ mass is provided in the form of a solid, real TU PE mass centered on the geometric axis M of the drum 20, its cost can be considerable.
  • fluid balancing rings 60 can be installed, such as those described in the aforementioned US-A-2,525,781 patent, by Jey Grant De Remer, which as will be explained below allow advantageously obtaining effects equivalent to those of the mass ntp "real" by a mass m a "equivalent” much lower, corresponding to the effective mass of the fluid contained in the chambers, which fluid rings 60 can be constructed economically, in a conventional manner by molding plastic injection .
  • Figs. 5a-5d are schemes that illustrate the deduction of the value of the equivalent mass produced by a fluid balancing ring containing a certain mass of fluid, comparable to a mass of a solid counterweight located in the same position.
  • Figs. 5a-5d and / or in the following equations the following designations are used:
  • PE Cylindrical outer wall of a fluid balancer ring
  • H Circular horizon produced in the fluid inside the ring when turning
  • This equivalent mass mp E is generally 12 to 20 times greater than the mass of fluid m A actually used, which demonstrates the advantages of balancing by means of fluid rings facing the contribution of a main counterweight mass associated with the drum 20 that generates significant effects that make it possible to replace a large part of the mass of the counterweight associated with the enclosure tray 10, according to the basic principle of the present invention.
  • FIG. 6 it shows in a very simplified manner an example of a non-limiting embodiment of a centrifuge machine according to the present invention, such as a clothes washer-centrifuge machine, from which they have been removed. those elements that have no relation to the constructive principle of the present invention, whose machine incorporates said "light" construction of the floating group.
  • the machine of Fig. 6 comprises a frame or bench 50 from which a floating group essentially formed by an enclosing tray 10 for holding and / or collecting a bath is suspended, a drum 20 for a load of matter to be centrifuged Q (not shown in Fig. 6) mounted so that it can rotate inside the enclosure cuvette 10 and a motor 32 fixed to the cuvette 10 and connected to said drum 20 to rotate it.
  • the suspension comprises a system of springs 52 and dampers 54 arranged between the bench 50 and the floating group.
  • the casing 10 and the drum 20 have, at one of their ends, respective loading / unloading mouths 18, 28 of axial access, substantially coinciding with each other and with a loading / unloading mouth of the frame provided with a door 56 , preferably of a transparent material.
  • an elastic sleeve 58 capable of absorbing movements has been arranged between the loading / unloading mouth 18 of the housing 10 and the frame of the door 56 of the frame 50 relative vibrations between frame 50 and wrapping cup 10.
  • the wrapping bowl 10 can be obtained, for example, by plastic injection molding essentially in two parts, a front part 10a, and a rear part 10b.
  • the front part 10a comprises a first outer wrap half wall 12a and a front wall 13 with an outer peripheral edge rigidly attached to one end of said first wrap half wall 12a and an inner peripheral edge that delimits said loading / unloading mouth 18.
  • a counterweight 40 of a solid and dense material such as a relatively heavy metal or concrete, which can take an annular, quadrangular shape with a large central opening, or any other convenient shape, is fixed at the front 13 of the enclosure tray 10.
  • the part Rear 10b comprises a second wrap half wall 12b and a bottom wall 14 with an outer peripheral edge rigidly attached to one end of said second outer wrap half wall 12b, whose bottom wall 14 includes a plurality of reinforcing ribs 14a, combined in both directions axial as radial, which are finished in a central area in a hub 14b for a bearing housing 30, formed by a mere steel bushing, for bearings A and B.
  • the two front and rear parts 10a and 10b of the housing 10 are joined by the free ends of the respective first and second outer wrap semi-walls 12a and 12b by means of a socket 15 consolidated by means of fixing either mechanical, such as a clamping flange, or by adhesion or welding.
  • the drum 20 comprises an outer wrap wall 22, of revolution with respect to a geometric axis M, typically cylindrical and perforated, a front wall 23, with an outer peripheral edge rigidly attached to one end of said outer wrap wall 22 and an inner peripheral edge that delimits said loading / unloading mouth 28 of the drum 20, and a bottom wall 24 with an outer peripheral edge rigidly attached to one end of said outer wrapping wall 22, whose bottom wall 24 includes a plurality of reinforcing ribs 24a, combined in both axial and radial directions, which are finished in a central area in a hub 24b for a drive shaft 16, aligned with said geometric axis M, rigidly attached to said hub 24b.
  • the drive shaft 16 is inserted in the aforementioned bearings A and B so that one end thereof protrudes through the outer end of the bearing housing 30, on which protruding end of the drive shaft 16 is connected to a driven pulley 34 connected by a belt 35 to a conductive pulley 36 integral with the output shaft 38 of the motor 32, which is rigidly connected to the housing 10 by means of supports 39.
  • the aforementioned front wall 23 of the drum 20 has a conical trunk section 23b which enables a space in which is located and fixed a counterweight 42 formed by a plurality of concentric fluid balancing rings 60 which will be described in detail below in relation to Fig. 7, together with other construction details of the drum.
  • blades 29 Inside the drum 20 are arranged blades 29 to remove the load of clothes in the washing and rinsing stages, whose blades 29 are substantially parallel to the geometric axis M and extend in a radial direction a certain length towards the center of the drum , and typically adopt a hollow triangular cross section.
  • the proportion of the mass, either real or equivalent obtained by fluid balancing rings, of the counterweight 42 associated with the front part of the drum 20 is at least 55% of the total sum of the counterweight weights 40 and 42 respectively associated with the front parts of the wrapping bowl 10 and drum 20, that is to say, that a greater part of the total mass of said counterweights 40 and 42, resulting from the addition of their respective masses m C E and ⁇ nc ⁇ , is concentrated in the counterweight 42 associated with the front part of the drum 20.
  • Fig. 7 is an enlarged detail showing a preferred embodiment of drum 20, of which only the upper half has been shown since it is substantially symmetrical to the lower half.
  • the drum enclosure 20 comprises the outer outer wall 22, the front wall 23 and an inner bottom wall 27 constructed in a thin metal sheet, typically stainless steel, and joined at their respective edges by beading 22a.
  • a light metal alloy such as aluminum
  • the front face 23 includes a conical trunk section 23b that enables a space for said concentric fluid balancing rings 60, whose conical trunk section 23b is finished off at an inner peripheral edge with a closed groove 23a that delimits the loading / unloading mouth 28
  • the fluid balancing rings 60 are obtained in a classical manner by injection molding of plastic in two pieces; a first piece 60a, comprising a side wall 62, in the form of a circular crown, from which a plurality cylindrical annular walls 64 are projected, and a second piece 60b, as a cover, provided with a plurality of plugs (not shown ), each corresponding to one of the rings 60, for filling / emptying them, and which may eventually include partitions 66 or annular grooves for coupling or fitting with the cylindrical annular walls 64 of the first piece 60a.
  • Both pieces are jointly joined by adhesive or welding forming a plurality of sealed chambers Concentric tailored to be partially filled with a balancing fluid.
  • the ring located in the innermost position adapts to said conical trunk section 23b of the front wall 23.
  • there are small baffles (not shown) arranged inside each of the watertight chambers, the purpose of which is to propitiate the entrainment of the fluid together with the cylindrical annular walls 64, especially during the start of the acceleration to reach a spin speed.
  • Such baffles must not, however, prevent the free distribution of water to form said circular horizon.
  • the entire drum assembly 20 is packaged and stiffened by straps 80 parallel to the geometric axis M that cross the aforementioned outer and inner bottom walls 24, 27, the front wall 23 and the first and second pieces 60a, 60b of the fluid balancing rings 60, passing through the drum 20 through the interior of each of said triangular cross section profile blades 29, which work under compression as stiffening elements.
  • Each tie 80 has a head 82 retained in a recess in the bottom outer wall 24 and a threaded end that projects from the fluid balancing rings 60 to receive a tightening and locking nut 84.
  • a reinforcement piece 86 in the form of a circular crown, is interposed between said nuts 82 and the fluid balancing rings 60 to better distribute the pressure exerted by the braces on a larger outer surface of said fluid balancing rings 60.
  • the fluid balancing rings 60 include passage holes, not shown, so that one of its concentric sealed chambers is sacrificed, which allows to enable annular walls 68 of greater thickness adjacent to said passage holes to resist the pressure exerted by the braces.

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Abstract

Dicho grupo flotante comprende: un tambor (20), alineado con un eje geométrico (M), que gira dentro de una cubeta envolvente (10) accionado por un motor (32), y al girar crea, por un efecto de desequilibrio de masas, un eje real de rotación (N) distinto de dicho eje geométrico (M); un contrapeso (40) de masa mCE asociado a una parte delantera de la cubeta (10) y un contrapeso (42) de masa mCT asociado a una parte de delantera del tambor (20), donde se cumple la relación [mCT/(mCE+mCT)]x100≥55, siendo dicha masa mCT o bien de una magnitud dada y centrada con dicho eje geométrico (M) o de una magnitud muy inferior y en forma de uno o más anillos de fluido (60), resultando las tensionses a que està sometido el grupo flotante sustancialmente reducidas, estando por ello realizado mediante construcciòn ligera.

Description

MÁOT JTNA CENTRIFUGADORA CON GRUPO FLOTANTE EN SUSPENSIÓN Y
TAMBOR EN VOLADIZO
Campo de la invención La presente invención concierne en general a una máquina centrifugadora con grupo flotante en suspensión y tambor en voladizo, de especial aplicación a máquinas lavadoras-centrifugadoras previstas para altas velocidades de centrifugado con factores G elevados, en las que dicho grupo flotante comprende en esencia una cubeta envolvente para contener y/o recoger un baño, un tambor de paredes perforadas para una carga de materia a centrifugar montado de manera que puede girar dentro de dicha cubeta envolvente, y un motor fijado a la cubeta envolvente y conectado a dicho tambor para hacerlo girar, en cuya máquina una adecuada relación de masas de contrapeso da como resultado una reducción de tensiones estructurales en el grupo flotante que permiten una construcción ligera del mismo, y en especial de la cubeta envolvente. Antecedentes de la técnica
Es bien conocido el método de extraer agua de una materia mojada por centrifugación y es profusamente utilizado en, por ejemplo, el sector del lavado de ropa, ya sea industrial o doméstico, debido a su elevado rendimiento de extracción con relación al gasto energético en comparación con otros métodos. En este sector es muy usual la utilización de máquinas capaces de lavar y subsiguientemente centrifugar una carga de ropa introducida en un tambor de paredes perforadas montado de manera que puede girar dentro de una cubeta envolvente capaz de contener sucesivos baños de lavado y aclarado, y de recoger los restos dicho baño extraídos de la ropa durante una fase final de centrifugación. Para ello, uno o más motores están conectados al tambor para hacerlo girar sucesivamente a diferentes velocidades de acuerdo con las etapas de lavado, aclarado y centrifugado, gobernados por unos medios de control programables.
Es muy usual que el tambor esté situado de manera que durante el funcionamiento su eje de giro sea horizontal o ligeramente inclinado respecto a la horizontal, y que tenga una boca de carga/descarga en un extremo axial del mismo, coincidente con una abertura de la cubeta envolvente. Esto es especialmente ventajoso en máquinas industriales destinadas a grandes cargas de ropa en las que una boca de carga radial resultaría de acceso muy complejo a causa de su gran altura. Sin embargo, la existencia de tal boca de carga descarga en un extremo del tambor obliga a soportar el mismo en voladizo desde el extremo axial opuesto al de \ boca de carga/descarga, mediante un árbol motriz solidario de una pared de fondo del tambor, soportado y guiado por unos rodamientos alojados en una caja de rodamientos fijada a la cubeta envolvente. Esta disposición, aunque resulta muy favorable desde un punto de vista ergonómico, produce unos momentos flectores mayores sobre el árbol motriz y transmite unos esfuerzos sobre los rodamientos mayores que si el tambor estuviera soportado y guiado por ambos extremos. Además, cuando el tambor gira a una velocidad tal que produce una aceleración centrípeta sobre la carga de ropa superior a 1 G (G = aceleración de la gravedad terrestre = 9,8 ms~2, aproximadamente), tal como durante un centrifugado, donde se alcanzan factores de 200, 300 e incluso más de 400 G, la ropa se aplica radialmente contra la pared del tambor en una determinada posición relativa, debida al azar, que prácticamente no varía mientras permanece el efecto de dicha velocidad. Tal posición relativa debida al azar tiene una altísima probabilidad de producir un centro de las masas de la carga de ropa descentrado respecto al eje geométrico del tambor, el cual está alineado con el árbol motriz, y por consiguiente el centro de masas del conjunto de tambor y carga de ropa estará también desplazado respecto a dicho eje geométrico. En estas condiciones, el citado conjunto de tambor y carga de ropa tenderá a girar respecto a dicho centro de masas descentrado del eje geométrico del tambor, o en otras palabras, el eje geométrico del tambor tenderá a girar alrededor de un eje real de rotación distinto del eje geométrico, produciendo un movimiento vibratorio bien conocido que se transmite a todo el grupo flotante. Dicho movimiento vibratorio generalmente es aminorado mediante la adición de contrapesos y absorbido por el citado sistema de suspensión del grupo flotante, formado por muelles y amortiguadores vinculados a un armazón o bancada de la máquina.
La patente US-A-2.525.781, de Jey Grant De Remer, solicitada el 15 de setiembre de 1944, describe un sistema equilibrador de cuerpos giratorios, especialmente aplicable a máquinas lavadoras-centrifugadoras de ropa, basado en la aportación de una o más cámaras anulares parcialmente llenas de un fluido, situadas sobre diferentes zonas del tambor y coaxiales respecto al eje geométrico del mismo. Cada una de estas cámaras está formada por unas paredes anulares concéntricas exterior e interior y unas paredes laterales sustancialmente paralelas, existiendo en su interior unos medios deflectores que tienden a arrastrar el fluido contenido en las cámaras sin impedir una libre distribución del mismo. Cuando la velocidad de giro del anillo equilibrador junto con el tambor es tal que produce un factor G superior a 1 y por encima de la frecuencia de resonancia del grupo flotante, el fluido del interior de la cámara equilibradora se aplica contra dicha pared exterior de la misma, la cual es coaxial respecto el eje geométrico del tambor, al tiempo que define un horizonte circular interior coaxial respecto el eje real de rotación, creándose un centro de masas de dicho fluido desplazado respecto del eje real de rotación en una dirección precisamente opuesta al desplazamiento del centro de masas de la carga de ropa, y por consiguiente equilibrador de la misma. Jey Grant De Remer describe en la citada patente US-A-2.525.781 que la situación óptima de equilibrado se produce cuando la altura radial en el punto de máxima altura radial del fluido dentro de la cámara equilibradora es de dos veces la distancia entre el eje geométrico y el eje real de rotación, es decir, dos veces la amplitud del movimiento vibratorio de la máquina, y cuando el círculo de la pared exterior de la cámara y el círculo del horizonte circular del fluido son tangentes en un punto diametralmente opuesto al de altura máxima. Jey Grant De Remer también demuestra que resulta más favorable disponer dos cámaras equi libradoras concéntricas en vez de una sola cámara de altura equivalente a la suma de las otras dos, con una misma anchura y una cantidad de fluido contenido equivalente al de las otras dos juntas.
Sin embargo, en la citada patente US-A-2.525.781, de Jey Grant De Remer, sólo se discute el equilibrado del tambor sin que en ningún momento se entre a discutir los efectos dinámicos de "cabeceo" que las masas de la carga de ropa y de los anillos de fluido producen en el grupo flotante, por lo que la posición de los anillos de fluido equilibradores sobre el tambor aparece como un tema menor, obedeciendo más a criterios formales o constructivos que a necesidades dinámicas.
Los citados efectos dinámicos de "cabeceo" consisten en un desplazamiento dinámico del eje del tambor, y por consiguiente del grupo flotante, que tiene una diferente amplitud en cada uno de sus extremos, siendo generalmente, en este tipo de máquinas, de mayor amplitud en el extremo del tambor más alejado de los rodamientos.
También se conocen en el estado de la técnica anillos de masas sólidas desplazables, por ejemplo, por una realización de la firma SKF, que incluyen bolas sólidas, generalmente de acero, encerradas en un circuito anular, las cuales, al ser el conjunto sometido a una rápida rotación descentrada que produzca factores G superiores a 1, se concentran situándose en la zona de dicho circuito anular más alejada del eje real de rotación. En las realizaciones más recientes, como la descrita en la patente US-A- 5.813.253, con el fin de evitar ruidos producidos por las bolas entrechocando entre sí al girar a velocidades reducidas, se aporta un dispositivo de bloqueo formado por unas jaulas que emparejan las bolas de dos en dos, en cuyas jaulas hay un pasador cargado por un muelle, el cual, a factores G inferiores a 1, empuja el pasador para que se inserte en unos orificios dispuestos en la pista interior del circuito anular. Cuando los factores G son sustancialmente superiores a 1, la propia masa del pasador genera una fuerza centrífuga que vence el citado muelle liberando la jaula con su correspondiente par de bolas, las cuales entonces se desplazan hasta concentrarse en dicha zona más alejada del eje real de rotación.
Si bien este dispositivo de bolas se ha mostrado como muy eficaz en cuanto a su efecto compensador del equilibrio, los requerimientos de precisión de su compleja construcción hacen que su coste sea muy elevado, sobre todo teniendo en cuenta que, en una aplicación como la propuesta, tal dispositivo estará sometido a inmersiones continuadas en los baños de los procesos de lavado y aclarado, haciendo su implementación absolutamente inviable. La patente DE-A-1610177, de Siemens-Electrogeráte GmbH, solicitada el 6 de octubre de 1967, describe una máquina lavadora-centrifugadora de ropa en la que un único anillo de fluido equilibrador está dispuesto en el extremo del tambor más próximo a los rodamientos. El anillo comprende una cámara de capacidad relativamente grande y unos medios para llenar parcialmente de fluido o vaciar dicha cámara en función de las fases de lavado y centrifugado. El tambor tiene una forma ligeramente cónica, disminuyendo de diámetro al alejarse de los rodamientos, lo que favorece una ventajosa acumulación de la carga de ropa hacia la zona más ancha, es decir, hacia la zona más próxima a los rodamientos. Sin embargo, la disposición del anillo de fluido en esta zona más ancha no favorece el equilibrio dinámico de masas. Actualmente, la práctica generalizada de los fabricantes de máquinas lavadoras- centrifugadoras consiste en colocar contrapesos sólidos fijados a la cubeta envolvente y, en menor medida, al tambor. Debido a que los elementos más pesados del grupo flotante, es decir, motor, caja de rodamientos, rodamientos, paredes de fondo reforzadas del tambor y la cubeta envolvente, se encuentran concentrados en el extremo posterior, o más alejado de la boca de carga, del grupo flotante, los contrapesos sólidos se colocan principalmente en los extremos delanteros, o más próximos a la boca de carga, del tambor y la cubeta. Sin embargo, fijar contrapesos en el tambor tiene el inconveniente de que estos se van a ver sometidos a los baños de lavado, lo que conlleva asociados unos problemas de corrosión que obligan a la utilización de materiales y elementos constructivos resistentes a la corrosión que resultan en un coste elevado. Además, colocar grandes masas adicionales sobre el tambor giratorio representa un inconveniente desde el punto de vista de un aumento del momento de inercia que penalizan las aceleraciones del tambor. Por consiguiente, es práctica generalizada colocar grandes masas de contrapeso en la parte delantera, más alejada de los rodamientos, de la cubeta envolvente.
A efectos de esta memoria, se utilizarán a menudo los términos "delantero y trasero" referidos a partes de la cubeta envolvente o del tambor como aquellas partes respectivamente más alejadas o más próximas a los rodamientos. Se conoce en el mercado una máquina lavadora-centrifugadora de ropa de la firma Maytag Corporation que combina un gran contrapeso fijado a la parte delantera, o más alejada de los rodamientos, de la cubeta envolvente con dos anillos equilibradores de fluido, como los de la citada patente US-A-2.525.781, concéntricos, sobre la cara delantera del tambor, en una zona periférica exterior de la boca de carga/descarga. La ventaja de los anillos de fluido radica, tal como se ha explicado más arriba, en que con una masa real de fluido relativamente pequeña proporcionan un efecto en cuanto a fuerza centrífuga equivalente al de una masa muy superior, con lo que se consigue el deseado efecto de equilibrado sin aumentar excesivamente el momento de inercia del tambor.
Sin embargo, las grandes masas del contrapeso fijado a la parte de la cubeta más alejada de los rodamientos provoca, tal como se explicará más abajo, unas grandes tensiones sobre los elementos estructurales del grupo flotante, especialmente sobre el árbol motriz, caja de rodamientos, rodamientos, paredes reforzadas de fondo del tambor y de la cubeta envolvente, y en general todas las demás paredes del tambor y de la cubeta, que obligan a una construcción de las mismas con unas elevadas exigencias de resistencia mecánica que resultan en una construcción pesada. Dicha construcción pesada, concentrada en la parte trasera del grupo flotante, aumenta a su vez la amplitud del efecto vibratorio en la parte delantera, lo que aconseja aumentar más los contrapesos en dicha zona delantera, y así sucesivamente. Breve exposición de la invención Un objetivo de la presente invención es el de aportar una máquina centrifugadora con grupo flotante en suspensión y tambor en voladizo, aplicable a máquinas lavadoras- centrifugadoras previstas para altas velocidades de centrifugado con factores G elevados, en las que una adecuada distribución de masas de contrapeso den como resultado una reducción de tensiones estr icturales que permita la construcción de los principales elementos de dicho grupo flotante, como la cubeta envolvente, el tambor, dicha caja de rodamientos, los rodamientos y dicho árbol motriz, con unas exigencias de resistencia mecánica, ya sea por forma, materiales o componentes, sensiblemente menores respecto a las necesarias sin dicha distribución adecuada de masas, para unas mismas prestaciones de altas velocidades de centrifugado, y por consiguiente con unos costes inferiores.
Este objetivo se consigue, de acuerdo con la presente invención, transfiriendo una parte significativa del contrapeso asociado a la parte delantera de la cubeta envolvente a la parte delantera del tambor, de manera que la masa, ya sea real o equivalente obtenida por anillos de fluido, de la masa de dicho contrapeso asociado al tambor es al menos el 55% de la suma de las masas del propio contrapeso asociado al tambor y del contrapeso asociado a la cubeta envolvente.
Hay que señalar que a efectos de simplificación del lenguaje, en esta memoria se utilizará a menudo la expresión contrapeso de "masa real" y de "masa equivalente" para el tambor haciendo referencia respectivamente a un contrapeso, generalmente sólido, con una masa de una magnitud dada y centrada con el eje geométrico del tambor y a un contrapeso de una magnitud muy inferior y en forma de uno o más anillos de fluido que, al girar a una velocidad tal que produce un factor G superior a 1 y por encima de la frecuencia de resonancia del grupo flotante, queda descentrada a una distancia muy superior a la amplitud del desplazamiento dinámico del grupo flotante produciendo unos efectos dinámicos equivalentes a los de dicha masa de magnitud dada.
En efecto, los presentes inventores han descubierto, a través de análisis teórico corroborado por ensayos prácticos reales y mediante programas de simulación por computadora, que los efectos en cuanto a equilibrio dinámico producidos por un contrapeso fijado a la parte delantera de la cubeta envolvente son equivalentes a los producidos por un contrapeso de igual masa fijado a la parte delantera del tambor (suponiendo que ambos se encuentren a la misma distancia de los rodamientos), mientras que transfiriendo dicho contrapeso de la parte delantera de la cubeta a la parte delantera del tambor, todas las partes de la cubeta envolvente, tales como la caja de rodamientos, los rodamientos, el eje y el fondo del tambor, se ven liberadas de las tensiones estructurales atribuibles a la transmisión de los esfuerzos realizados por dicho contrapeso. Si además, en virtud de las propiedades dinámicas que ofrece la rotación del tambor, se utilizan anillos equilibradores de fluido que tienen una masa real muy inferior a la masa equivalente del contrapeso transferido, las tensiones estructurales soportadas por el tambor también disminuyen. Estas disminuciones de tensiones posibilitan una construcción ligera de los elementos del grupo flotante que aligeran la concentración de masas en el extremo posterior del mismo, lo que significa que la masa, real o equivalente, del contrapeso asociado a la parte delantera puede ser también menor, lo que a su vez reduce tensiones estructurales, y así sucesivamente. Por consiguiente, la citada transferencia de masas resulta muy beneficiosa y se traduce en una importante disminución de costes, puesto que, por ejemplo, la cubeta envolvente puede pasar de ser una construcción soldada de chapa de acero inoxidable, habitual en máquinas de más de 7 kg de capacidad y valor de centrifugación de 250 G o superiores, a una construcción por moldeo de inyección de plástico, integrando la caja de rodamientos que de otra forma sería probablemente una pieza de fundición de acero, y el árbol motriz y los correspondientes rodamientos pueden ser mucho menores y por consiguiente también más económicos. Un aligeramiento general de peso en máquinas de este tipo implica también una mayor facilidad de transporte y unas menores exigencias en cuanto a la resistencia estructural de su lugar de instalación.
El sistema de suspensión es capaz de absorber una determinada amplitud de vibración del grupo flotante, por lo que un movimiento vibratorio relativamente grande no representa un inconveniente desde un punto de vista mecánico mientras se encuentre dentro del intervalo capaz de ser absorbido por la suspensión. Ahora bien, por motivos que se han explicado más arriba, la citada amplitud del movimiento vibratorio es generalmente mayor en la parte delantera del grupo flotante que en la parte trasera, lo que comporta unas mayores exigencias de flexibilidad en unas conexiones elásticas dispuestas usualmente entre una puerta del bastidor y la boca de carga/descarga de la parte delantera del grupo flotante, además de una sensación visual desagradable para un usuario. Por ello es aconsejable disminuir dicha amplitud de vibración disponiendo una determinada masa de contrapeso en el extremo delantero de la cubeta envolvente además de la masa de contrapeso dispuesta sobre la parte delantera del tambor. Los presentes inventores han llegado a determinar que a partir de una relación de la masa del contrapeso asociado a la parte delantera del tambor respecto a la suma de las masas de los contrapesos respectivamente asociados a la parte delantera del tambor y a la parte delantera de la cubeta del 55%, los efectos beneficiosos de la citada transferencia de masas objeto del principio constructivo de la presente invención son suficientemente importantes como para permitir la citada construcción ligera del grupo flotante. Breve descripción de los dibujos
La presente invención se comprenderá mejor a partir de las siguientes explicaciones y descripción detallada de unos ejemplos de realización de la misma relativos a una máquina lavadora-centrifugadora de ropa, las cuales se aportan con referencias a los dibujos adjuntos, en los que: las Figs. la y Ib son unas representaciones esquemáticas comparativas de un tambor de una máquina centrifugadora soportado y guiado por sus dos extremos y un tambor de una máquina centrifugadora soportado y guiado en voladizo, respectivamente; las Figs. 2a y 2b son unas representaciones esquemáticas comparativas que ilustran aquellas partes sometidas a tensiones estructurales en un grupo flotante del estado de la técnica de ropa y en un grupo flotante de acuerdo con la presente invención, respectivamente; las Figs. 3a, 3b y 3c son diagramas de fuerzas que nos servirán para explicar los efectos de las fuerzas que actúan sobre el grupo flotante, sobre el tambor 20 y sobre la cubeta envolvente 10, respectivamente; la Fig. 4 es una gráfica de los resultados de un ejemplo de ensayo simulado que ilustra la evolución de los momentos flectores sobre el árbol motriz del tambor frente a diferentes porcentajes de distribución de masas de contrapeso. las Figs. 5a-5d son esquemas que ilustran la deducción de la equivalencia entre los valores de masa real y de masa equivalente obtenida en un anillo equilibrador de fluido; la Fig. 6 es una vista simplificada en sección de un alzado lateral de una máquina lavadora-centrifugadora de ropa de acuerdo con la presente invención; y la Fig. 7 es una vista en sección de un alzado que ilustra un detalle de un ejemplo de realización alternativo del tambor. Descripción detallada de la invención
Haciendo referencia en primer lugar a las Figs. la y Ib, en ellas se ilustra como el hecho de disponer una boca de carga/descarga 28 de acceso axial (Fig. Ib) en el tambor 20 es ergonómicamente ventajoso pero penaliza fuertemente los esfuerzos a que se ven sometidos sus elementos estructurales bajo la influencia de una fuerza F ejercida por la masa de una carga de ropa Q, mojada, sometida a una aceleración centrípeta debida a la rotación de dicho tambor. Así, en la Fig. la se ilustra un tambor 20 con una boca de carga/descarga 28a de acceso radial. De las paredes de ambos extremos del tambor sobresalen unos ejes 16a, 16b soportados y guiados por unos rodamientos A, B. Suponiendo que la fuerza F se aplique sobre un punto medio del tambor, equidistante de los rodamientos A, B, éstos generan unas respectivas reacciones RA = RB — FI2. Por el contrario, el tambor de la Fig. Ib, de iguales dimensiones que el tambor de la Fig. la, tiene una boca de carga/descarga 28a, de acceso axial, situada sobre una pared de un extremo y por consiguiente está soportado y guiado a través de un eje 16, que sobresale de la pared del extremo opuesto, insertado en unos rodamientos A y B. Suponiendo que la fuerza F también se aplica a un punto medio del tambor, que en este caso está, por ejemplo, a una distancia 3α del rodamiento A, el cual está, por ejemplo, a una distancia a del rodamiento B, la reacción del rodamiento A es RA = 4F y la reacción del rodamiento B es Rβ = 3F, es decir, 8 y 6 veces superiores, respectivamente, a las correspondientes reacciones de los rodamientos en el tambor de la Fig. la para una misma fuerza F aplicada a un mismo punto medio. La presente invención concierne a máquinas que comprenden un tambor soportado en voladizo del tipo del de la Fig. Ib.
El tambor está soportado en voladizo dentro de una cubeta envolvente, estando un motor fijado a la cubeta y conectado al tambor de manera que lo puede hacer girar dentro de la misma. El conjunto de cubeta envolvente, tambor y motor constituye el llamado "grupo flotante", el cual está suspendido de un bastidor o bancada por unos medios de suspensión que comprenden elementos elásticos y amortiguadores con el fin de absorber los movimientos vibratorios generados por la masa descentrada de la carga de ropa durante el centrifugado.
En las Figs. 2a y 2b se ilustran sendos grupos flotantes de una máquina del estado de la técnica y de una máquina de acuerdo con la presente invención, respectivamente, formados por una cubeta envolvente 10 que comprende una pared exterior 12 de revolución alrededor de un eje geométrico M, y una pared de fondo 14 sobre la que va fijada una caja de rodamientos 30 en la que se alojan unos rodamientos A, B. Dentro de dicha cubeta envolvente está dispuesto un tambor 20 que tiene asimismo una pared exterior 22 de revolución alrededor de dicho eje geométrico M, y una pared de fondo 24 sobre la que va fijado un árbol motriz 16 insertado en los citados rodamientos A, B. La cubeta envolvente 10 y el tambor 20 tienen, en sus caras opuestas a las paredes de fondo, unas respectivas bocas de carga/descarga 18, 28, de acceso axial, coincidentes. Sobre un extremo del árbol 16, sobresaliente de la caja de rodamientos 30, va montada una polea a la que se conecta un motor (tío ilustrado en las Figs. 2a y 2b) mediante una transmisión por correa para hacer girar el tambor dentro de la cubeta.
En el grupo flotante del estado de la técnica (Fig. 2a), un contrapeso 40 está fijado a la parte delantera de la cubeta envolvente 10, mientras que en el grupo flotante de acuerdo con la presente invención (Fig. 2b), un contrapeso 42 está fijado a la parte delantera del tambor. En ambos casos, en una zona media del tambor está aplicada una fuerza Fρ, representada por una flecha, ejercida por una carga de ropa Q. El contrapeso 40 asociado a la cubeta 20 ejerce una fuerza representada por una flecha FCE en la Fig. 2a mientras que el contrapeso 42 asociado al tambor 20 ejerce una fuerza representada por una flecha FCT en la Fig. 2b. En estas Figs. 2a y 2b se han señalado además, mediante unas líneas de trazos envolventes, todas aquellas partes y componentes que se ven sometidos a una tensión estructural significativa durante un centrifugado atribuible principalmente a las fuerzas Fρ y FCE en el caso de la Fig. 2a, o a las fuerzas Fρ y FCT en el caso de Fig. 2b. Es evidente que tales representaciones esquemáticas son muy simplificadas, puesto que se han omitido muchos factores, como las masas propias de la cubeta y del tambor, que también juegan un papel importante, pero se han juzgado lo suficientemente ilustrativas como para ofrecer una visualización directa del principio sobre el que se basa la presente invención. En efecto, en el tambor de la Fig. 2a, los esfuerzos equilibradores se transmiten a través de un largo camino que va desde la carga Fρ aplicada al tambor (carga de ropa Q) hasta la fuerza FCE equilibradora asociada a la cubeta (contrapeso 40). Como puede verse, las partes y componentes que se ven sometidas a una tensión significativa (señaladas por la citada línea de trazos envolvente) son la pared exterior 22 y la pared de fondo 24 del tambor 20, el árbol motriz 16, la caja de rodamientos 30, los rodamientos A y B, y la pared de fondo 14 y la pared exterior 12 de la cubeta envolvente 10.
Por el contrario, en el tambor de la Fig. 2b, los esfuerzos equilibradores se transmiten a través de un camino mucho más corto, que va desde la fuerza FCT equilibradora asociada al tambor (contrapeso 42) a las reacciones de los rodamientos, pasando por la carga Fρ aplicada al tambor (carga de ropa Q). En este caso, las partes y componentes que se ven sometidas a tensión (señaladas por la citada línea de trazos envolvente) son la pared exterior 22 y la pared de fondo 24 del tambor 20, el árbol motriz 16, la caja de rodamientos 30 y los rodamientos A y B, si bien las tensiones sobre el árbol motriz 16, la caja de rodamientos 30 y los rodamientos A y B son menores debido a que las fuerzas Fρ y FCT tienen direcciones opuestas y producen momentos flectores opuestos que se contrarrestan sobre el árbol 16. Las paredes de fondo y exterior 14, 12 de la cubeta envolvente 10 quedan liberadas de tensiones atribuibles a fuerzas ejercidas por las masas de contrapeso.
En la máquina de la presente invención se combina el contrapeso 42, asociado a la parte delantera del tambor, con un contrapeso 40, de sensible menor masa, asociado a la cubeta envolvente, con el fin de contener la amplitud del movimiento dinámico dentro de unos límites ergonómicamente adecuados. Por su parte, en las máquinas del estado de la técnica eventualmente se ha dispuesto un contrapeso 42 relativamente pequeño fijado a una cara delantera del tambor 20 además del gran contrapeso 40 asociado a la cara delantera de la cubeta envolvente, pero sin afectar a las características estructurales de la cubeta envolvente 10 y resto de componentes del grupo flotante. En ambos casos, el contrapeso 42 fijado en la parte delantera del tambor puede ser de masa real, aunque es preferible que sea de una masa equivalente obtenida por efecto dinámico sobre masas desplazables, como los anillos de fluido explicados más arriba, o como unos anillos por los que se desplazan libremente cuerpos sólidos, por ejemplo, bolas metálicas. La aportación esencial de la presente invención estriba en que el contrapeso principal es el contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20 en el grupo flotante, siendo su masa, real o equivalente, al menos el 55% de la masa total de los contrapesos asociados a la parte delantera del grupo flotante, es decir, de la suma de las masas de los contrapesos 40 y 42 asociados respectivamente a las partes delanteras de la cubeta envolvente 10 y del tambor.
Las Figs. 3a, 3b y 3c son diagramas de fuerzas que nos servirán para explicar los efectos dinámicos de las fuerzas que actúan sobre el grupo flotante, sobre el tambor 20 y sobre la cubeta envolvente 10, respectivamente.
Tal como se ha indicado más arriba, cuando la velocidad de rotación del tambor supera ligeramente un factor G igual a 1, el fluido comienza a aplicarse contra la pared anular exterior de cámara, aunque en estas condiciones la fuerza de gravedad terrestre produce considerables distorsiones en la formación del citado horozonte circular interior. Sin embargo, a elevadas velocidades de rotación tales como las empleadas durante una centrifugación, el efecto de la gravedad terrestre frente a la aceleración centrípeta es despreciable, por lo que no se ha tenido en cuenta en los cálculos. Tampoco se han tenido en cuenta otros factores tales como un posible alabeo del eje geométrico del tambor con relación al eje real de rotación, por lo que las siguientes ecuaciones responden a un modelo simplificado pero suficientemente ilustrativo de las condiciones de equilibrio total, tanto estático como dinámico, de la máquina. La Fig.3a muestra esquemáticamente el grupo flotante formado por la cubeta envolvente 10 que comprende la pared exterior 12 y la pared de fondo 14 sobre la que va fijada la caja de rodamientos 30 en la que se alojan los rodamientos A y B. Dentro de dicha cubeta envolvente está dispuesto el tambor 20 que tiene la correspondiente pared exterior 22 y la pared de fondo 24 sobre la que va fijado el árbol motriz 16 insertado en los citados rodamientos A, B. La cubeta envolvente 10 y el tambor 20 tienen, en sus caras opuestas a las paredes de fondo, las respectivas bocas de carga/descarga 18, 28, de acceso axial, coincidentes. De nuevo se ha omitido el motor.
Para las explicaciones siguientes nos serviremos de un sistema de coordenadas cartesianas formado por: O: Origen de coordenadas; situado en el centro del rodamiento A en situación de reposo. Eje y: Dirección según el eje de giro del tambor; sentido positivo desde el Origen hacia la boca de carga/descarga 28. Eje x: Dirección paralela a la dirección del desequilibrio de la carga de ropa; sentido positivo desde el Origen hacia el exterior paralelamente al desequilibrio de la carga de ropa. Eje r. El correspondiente según la regla de la mano derecha.
En la exposición se utilizarán los siguientes parámetros, algunas de cuyas designaciones aparecen también el las Figs. 3a, 3b y 3c: mρ. Masa de la carga de ropa mojada mτ: Masa del tambor sin contrapesos «£ •: Masa de la cubeta envolvente sin contrapesos mcf- Masa del contrapeso asociado al tambor mcE- Masa del contrapeso asociado a la cubeta envolvente Fρ: Fuerza centrífuga debida a la masa de la carga de ropa mojada
Fτ: Fuerza centrífuga debida a la masa del tambor sin contrapesos
FE: Fuerza centrífuga debida a la masa de la cubeta envolvente sin contrapesos FCT- Fuerza centrífuga debida a la masa del contrapeso asociado al tambor FCE- Fuerza centrífuga debida a la masa del contrapeso asociado a la cubeta envolvente Gρ. Centro de masas de la carga de ropa mojada Gf. Centro de masas del tambor sin contrapesos GE. Centro de masas de la cubeta envolvente sin contrapesos
Gcf. Centro de masas del contrapeso asociado al tambor GCE- Centro de masas del contrapeso asociado a la cubeta envolvente Yρ. Distancia desde el origen a Gρ sobre el eje y
Yf. Distancia desde el origen a GT sobre el eje y YE: Distancia desde el origen a GE sobre el eje y
Ycf- Distancia desde el origen a GCT sobre el eje y Y CE- Distancia desde el origen a GCE sobre el eje y YB: Distancia entre los rodamientos A y B
XD: Amplitud del desequilibrio dinámico sobre el eje x e: Excentricidad de la carga de ropa mojada sobre el eje x
RA: Reacción del rodamiento A
RB: reacción del rodamiento B Equilibrio del grupo flotante
En la Fig. 3a se ilustran las relaciones de fuerzas, puntos de aplicación y distancias en el grupo flotante de una máquina de acuerdo con la presente invención. Para el cálculo se parte de unas ecuaciones del equilibrio de las fuerzas centrífugas sobre el grupo flotante (en las que las expresiones de las fuerzas se han simplificado dividiendo por el cuadrado de la velocidad angular ω2), establecidas para una mayor claridad para un caso simplificado en el que no existe cabeceo. Sin embargo, dichas ecuaciones son generalizables para los casos en los que existe un cabeceo relativamente pequeño, frecuente en este tipo de máquinas, sin que las conclusiones finales se vean sustancialmente modificadas.
Ecuación del equilibrio de fuerzas
mQ • (e — X D) - (mτ + mE + mcτ + mCE) - XD = 0 (1)
Ecuación del equilibrio de momentos m. (e - XD) - Y Q - (mτ - Yτ + mE - YE + mCT ' ^CT + mCE ' * CE ' -X D (2)
Partiendo de la segunda (2) de estas ecuaciones de equilibrio y suponiendo conocida la masa del contrapeso 40 asociado a la parte delantera de la cubeta envolvente 10 así como las demás masas y sus respectivas distancias respecto al origen sobre el eje y, la masa del contrapeso asociado a la parte delantera del tambor 20 resulta: Masa del contrapeso asociado al tambor
m1 . (Yτ - Y0) + mE - (YE - Y0) + mCE - (YCE - Y0) m CT Y - Y
(3)
Partiendo de la ecuación (1) del equilibrio de fuerzas y con el valor de la masa del contrapeso 42 asociado al tambor calculado se puede hallar la amplitud XD (mostrada en la Fig. 5d) del movimiento de desequilibrio dinámico del grupo flotante, es decir, la amplitud del desplazamiento del eje geométrico M de rotación respecto del eje real de rotación N, que resulta:
Amplitud del movimiento de desequilibrio del grupo flotante
XD = Q- e (A) mQ + mτ + mE + mcτ + mCE
De la ecuación (3) del cálculo de la masa del contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20 se deduce (teniendo en cuenta los signos positivos y negativos) que de una reducción del parámetro IΠCE correspondiente al contrapeso 40 asociado a la cubeta envolvente 10 se deriva un aumento de la masa mCτ necesaria para el contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20. Si, como se demostrará más abajo, una transferencia de masa desde el contrapeso 40 de la cubeta envolvente 10 hacia al contrapeso 42 de la parte delantera del tambor 20 libera en gran medida de tensiones estructurales las principales partes y componentes del grupo flotante, de manera que éstas pueden construirse y seleccionarse para que resulten más ligeras, los parámetros de las masas JIIE y m T de la cubeta y el tambor también se verán reducidos, lo que a su vez propiciará una menor necesidad de masas icτ y TUCE en los contrapesos asociados a la parte delantera del tambor y de la cubeta, lo que a su vez alivia aún más de tensiones las estructuras de la cubeta y el tambor, y así sucesivamente.
Por "ligera" o "construcción ligera" se entiende un tipo de construcción con unas exigencias de resistencia mecánica, ya sea por forma, materiales o componentes, sensiblemente menores respecto a las que serían necesarias sin la implementación del principio constructivo de la presente invención para unas mismas prestaciones de altas velocidades de centrifugado.
De la expresión (4) de la amplitud XD del movimiento de desequilibrio del grupo flotante se deduce que una transferencia de masas desde el contrapeso 40 fijado a la cubeta envolvente 10 hacia al contrapeso 42 fijado al tambor 20 no afectaría a dicha amplitud Xp, a condición de que la suma de ambas masas mcE + mCτ permaneciera constante. Esto llevado al límite supone que se puede llegar a eliminar completamente el contrapeso 40 asociado a la cubeta 10 transfiriendo toda su masa al contrapeso 42 asociado al tambor 20 sin que por ello aumente la amplitud del movimiento de desequilibrio, aunque en la práctica tal extremo no es necesario, ni siquiera aconsejable. La finalidad principal es la de reducir tensiones estructurales en el grupo flotante que permitan una construcción ligera del mismo, y se ha comprobado, como se verá más abajo, que se obtienen efectos particularmente beneficiosos en este sentido a partir de una relación [τncτl (mcT + mcε)] x 100 = 55, o mayor.
Hay que destacar que la amplitud XD máxima del movimiento vibratorio viene dada por las condiciones de diseño de la suspensión del grupo flotante, y que por consiguiente no resulta apenas ningún beneficio de la obsesión por disminuir este parámetro, puesto que la diferencia de coste que representa una suspensión capaz de absorber una mayor amplitud de desplazamiento no es significativa. Sin embargo, por razones que ya se han explicado más arriba, dicha amplitud Xp debe mantenerse dentro de un intervalo de valores razonable con relación al espacio libre alrededor del grupo flotante.
Como se ha dicho repetidamente, el objetivo final de la mencionada transferencia de masas desde el contrapeso 40 asociado a la cubeta envolvente 10 hacia al contrapeso 42 asociado al tambor 20 es propiciar una reducción de las tensiones estructurales que permitan una construcción más ligera, y por consiguiente más económica, del grupo flotante. Dicha reducción de tensiones se puede ejemplificar mediante las reacciones RA y RB de los rodamientos A y B, puesto que éstas afectan a los propios rodamientos A, B, a los momentos Héctores sobre el árbol motriz 16, a los esfuerzos sobre la caja de rodamientos 30, y sobre las paredes de fondo 14, 24 de la cubeta envolvente 10 y del tambor 20, y así sucesivamente.
Para encontrar dichas reacciones R y RB de los rodamientos A y B se puede partir independientemente de las ecuaciones de equilibrio de fuerzas centrífugas y momentos que se generan tanto sobre la cubeta envolvente 10 (ecuaciones (5), (6)) como sobre el tambor 20 (ecuaciones (9), (10)). Los resultados numéricos obtenidos en cualquiera de los dos casos deben ser idénticos, por lo que su comparación sirve además como comprobación de la bondad del cálculo.
En la Fig. 3b se ilustran las fuerzas centrífugas sobre el tambor 20 y sus respectivas distancias al origen O de coordenadas.
Equilibrio de fuerzas del tambor: ∑ Λ. = 0
RA ~ RB + γnQ - (e - XD)- (mτ + mcτ ) • X D \ - ω 2 = 0 (5)
Equilibrio de momentos del tambor: ∑ Z = 0
- R, ' YB ~ [mQ Υζ>
Figure imgf000018_0001
- 0 (6)
Reacciones de los rodamientos a partir de las anteriores ecuaciones (5), (6) de equilibrio de fuerzas y momentos del tambor 20
Figure imgf000018_0002
En la Fig. 3c se ilustran las fuerzas centrífugas sobre la cubeta envolvente 10 y sus respectivas distancias al origen O de coordenadas.
Equilibrio de fuerzas de la cubeta envolvente: ∑FX = 0
RA - RB + (mE + mCE )- XD - ω2 = 0 (9) Equilibrio de momentos de la cubeta envolvente: ∑ Z = 0
κB -YB -t> m. YE + mCE - YCE ) - XD - ω2 = 0 (10)
Reacciones de los rodamientos a partir de las ecuaciones (9), (10) de equilibrio de fuerzas y de momentos de la cubeta envolvente 10
Figure imgf000019_0001
De la ecuación (7) de la reacción RA del rodamiento A a las fuerzas que ejercen sobre el tambor 20 se deduce (teniendo en cuenta los parámetros positivos y negativos) que un aumento de la masa πicτ del contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20 comporta una disminución en dicha reacción RA, y lo mismo ocurre respecto a la ecuación (8) de la reacción RB del rodamiento B. Sin embargo, de las ecuaciones (11), (12) de las reacciones RA y RB de los respectivos rodamientos A y B a las fuerzas que están aplicadas sobre la cubeta envolvente 10 se deduce (teniendo en cuenta los parámetros positivos y negativos) que una disminución de la masa m E del contrapeso 42 asociado a la parte delantera de la cubeta envolvente 10 implica una disminución en dichas reacciones RA y RB.
Esto se puede comprobar ensayando con distintos valores, por ejemplo, disminuyendo el valor de la masa m E del contrapeso 40 asociado a la parte delantera de la cubeta envolvente 10 y aumentando en una cantidad equivalente la masa ιncτ del contrapeso 42 asociado al tambor 20 manteniendo constante la amplitud XD del movimiento vibratorio del grupo flotante y, lo que es más importante, proporcionando una reducción de las reacciones RA y RB de los rodamientos A y B, y por consiguiente de las tensiones estructurales del conjunto del grupo flotante que permiten una construcción más ligera del mismo.
Para ello, las anteriores ecuaciones se han implementado en un programa de simulación por computadora del comportamiento de una lavadora-centrifugadora del tipo referido, cuyos resultados han constatado ser altamente fiables al ser contrastados con ensayos reales. A modo de ejemplo, se ha tomado como referencia para la simulación una lavadora-centrifugadora ce tipo industrial para 8 kg de ropa, capaz de centrifugar hasta un factor G de 300, con unas masa y dimensiones del tambor y de la cubeta envolvente correspondientes a un tipo de construcción "ligera". En dicha simulación se han introducido sucesivamente valores para las masas de los contrapesos asociados a la parte delantera del tambor 20 y de la cubeta envolvente 10 manteniendo el valor de la suma de sus masas constante, en este ejemplo, mcε + mCτ = 40 kg = cte., de manera que la masa HÍCT del tambor se ha iniciado en 0 kg aumentando progresivamente hasta 40 kg, al tiempo que la masa IΠCE de la cubeta envolvente se ha iniciado en 40 kg para disminuir, en concordancia, hasta 0 kg. Los resultados se muestran en la Tabla 1 , y en la Fig. 4 se muestra una gráfica trazada a partir de dichos resultados, en la que se ha sombreado el intervalo de valores de la relación [m τ I (mcε + mcτ) x 100 (en %) entre las masas de los contrapesos 40, 42 respectivamente asociados a las partes delanteras de la cubeta envolvente 10 y del tambor 20 que reivindica la presente invención.
Tabla 1
Figure imgf000020_0001
Los anteriores resultados, así como la gráfica de la Fig. 4, demuestran que una transferencia de la masa IΠCE del contrapeso 40 asociado a la parte delantera de la cubeta envolvente 10 hacia la masa ιncτ del contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20 resulta altamente beneficiosa en cuanto a una disminución de tensiones estructurales en el grupo flotante, cuya disminución de tensiones está ejemplificada por una disminución en el momento flector máximo (que se da en la posición del rodamiento A) del árbol motriz 16. Los presentes inventores consideran especialmente beneficioso que la relación entre la masa m τ del contrapeso de la parte delantera del tambor respecto a la masa total de los contrapesos asociados a la parte delantera del grupo flotante (tambor y cubeta envolvente) sea al menos del 55% o mayor (la zona sombreada en la gráfica de la Fig. 4).
Sin embargo, tal como se ha explicado más arriba, la introducción de un contrapeso en el tambor conlleva inconvenientes, sobre todo económicos, asociados a la necesidad de utilizar materiales resistentes a la corrosión debido a que dicho contrapeso se verá sometido a los baños de los procesos de lavado y aclarado, incluyendo detergentes y lejías a temperaturas relativamente elevadas. Si dicha masa nicτ se aporta en forma de una masa TUPE "real", sólida, centrada con el eje geométrico M del tambor 20, su coste puede ser considerable.
Para evitar dichos inconvenientes se pueden instalar anillos equilibradores de fluido 60, como los descritos en la citada patente US-A-2.525.781, de Jey Grant De Remer, que según se expondrá a continuación permiten obtener ventajosamente unos efectos equivalentes a los de la masa ntP "real" mediante una masa mA "equivalente" mucho menor, que corresponde a la masa efectiva del fluido contenido en las cámaras, cuyos anillos de fluido 60 pueden ser construidos económicamente, de una manera clásica, mediante moldeo de plástico por inyección.
Por consiguiente, a efectos de definición de la presente invención es esencial disponer de una función matemática que permita establecer con exactitud una relación entre "masa equivalente" y "masa real", es decir, una relación entre aquella masa efectiva mA de líquido contenida en unos anillos de fluido que produce unos efectos dinámicos equivalentes a los de una determinada masa mp , generalmente sólida, centrada con el eje geométrico del tambor 20 y la propia masa πipE, al ser ambas sometidas a una misma aceleración centrípeta.
Las Figs. 5a-5d son esquemas que ilustran la deducción del valor de la masa equivalente producida por un anillo equilibrador de fluido conteniendo una determinada masa de fluido, equiparable a una masa de un contrapeso sólido situado en la misma posición. En las Figs. 5a-5d y/o en las ecuaciones siguientes se utilizan las designaciones siguientes:
PE: Pared exterior cilindrica de un anillo equilibrador de fluido H: Horizonte circular producido en el fluido dentro del anillo al girar
RPE: Radio de la pared exterior del anillo equilibrador RH'. Radio del horizonte circular del fluido b: Anchura axial del anillo equilibrador (no mostrada en las Figs. 5a-5d) mA: Masa efectiva del fluido que llena parcialmente el anillo equilibrador mpE. Masa del fluido hipotéticamente comprendido dentro de un cilindro limitado por la pared exterior del anillo equilibrador y de profundidad b IΠ - Masa del fluido hipotéticamente comprendido dentro de un cilindro limitado por el horizonte circular y de profundidad b M: Eje geométrico del tambor = centro de masas de TΠPE
N: Eje real de giro del tambor = centro de masas de mπ
GA: Centro de masas de la masa mA
XD. Amplitud del movimiento de desequilibrio dinámico del grupo flotante = distancia desde M hasta N XA: Distancia desde GA hasta N
XH'. Distancia desde el centro de masas de mu hasta N γ. Densidad del fluido
Se parte de la definición de la masa mA del fluido contenido dentro del anillo equilibrador, que cuando gira junto con el tambor durante un centrifugado se dispone entre la pared exterior PE del anillo y el horizonte circular H (zona sombrada en la Fig. 5 a), como la sustracción boolena de la masa mu del fluido hipotéticamente comprendido dentro del disco limitado por el horizonte circular H (zona sombrada en la Fig. 5c) de la masa mPE del fluido hipotéticamente comprendido dentro de un disco limitado por la pared exterior PE (zona sombrada en la Fig. 5b) del anillo equilibrador, todos con una misma anchura b.
mA = mPE - mH (13)
La distancia XA (ver la Fig. 5d) desde el centro de masas GA de la masa mA hasta el eje real de rotación N es:
y _ mPE • XD - m • XH
A A (14) mPE - mH pero, teniendo en cuenta que XH = 0, puesto que el horizonte circular H se ha creado precisamente por el efecto de la aceleración centrípeta generado por la rotación del tambor alrededor del eje real de rotación N, y por lo tanto es coaxial con el mismo, la anterior expresión queda:
Figure imgf000023_0001
arreglando e igualando con la primera ecuación se obtiene la equivalencia del efecto de contrapeso entre una masa real y una masa equivalente obtenido por un anillo de fluido. Efecto equivalente de la "masa equivalente"
mA - χ A = mPE - χD ( 16)
Esta ecuación demuestra que el efecto producido por la masa mA del fluido contenido en el anillo equilibrador por la distancia^ de su centro de masas G al eje real de rotación N es equivalente al que produciría la masa m^ del fluido hipotéticamente contenido dentro del cilindro limitado por la pared exterior PE del anillo por la distancia XD de su centro de masas (que coincide con el centro geométrico M del tambor) al eje real de rotación N, ambos con una misma profundidad axial b. Por consiguiente, la masa equivalente sería:
"Masa equivalente"
mA ≡ mPE = π • RP 2 E - b - γ (17)
Esta masa equivalente mpE es generalmente de 12 a 20 veces mayor que la masa de fluido mA efectivamente utilizada, lo que demuestra las ventajas del equilibrado mediante anillos de fluido cara a la aportación de una masa de contrapeso principal asociada al tambor 20 que genera unos efectos significativos que permiten substituir gran parte de la masa del contrapeso asociado a la cubeta envolvente 10, según el principio básico de la presente invención.
También resulta evidente que cuanto más elevada sea la densidad γde\ fluido más acusado será el efecto de contrapeso. Sin embargo, la mayoría de fluidos de densidad significativamente mayor que la del agua son altamente contaminantes o corrosivos, y desde luego más costosos que el agua. Por consiguiente, se recomienda en la medida de lo posible la utilización de agua como fluido equilibrador. Haciendo ahora referencia a la Fig. 6, en ella se muestra de manera muy simplificada un ejemplo de realización no limitativo de una máquina centrifugadora de acuerdo con la presente invención, tal como una máquina lavadora-centrifugadora de ropa, de la que se han eliminado aquellos elementos que no tienen relación con el principio constructivo de la presente invención, cuya máquina incorpora dicha construcción "ligera" del grupo flotante.
La máquina de la Fig. 6 comprende un bastidor o bancada 50 de la que va suspendido un grupo flotante formado en esencia por una cubeta envolvente 10 para contener y/o recoger un baño, un tambor 20 para una carga de materia a centrifugar Q (no mostrada en la Fig. 6) montado de manera que puede girar dentro de la cubeta envolvente 10 y un motor 32 fijado a la cubeta 10 y conectado a dicho tambor 20 para hacerlo girar. La suspensión comprende un sistema de muelles 52 y amortiguadores 54 dispuestos entre la bancada 50 y el grupo flotante. La cubeta envolvente 10 y el tambor 20 disponen, en uno de sus extremos, de unas respectivas bocas de carga/descarga 18, 28 de acceso axial, sustancialmente coincidentes entre sí y con una boca de carga/descarga del bastidor provista de una puerta 56, preferiblemente de un material transparente. Con el fin de aislar el interior de la cubeta envolvente del exterior se ha dispuesto, entre la boca de carga/descarga 18 de la cubeta envolvente 10 y el marco de la puerta 56 del bastidor 50, un manguito elástico 58 capaz de absorber los movimientos vibratorios relativos entre bastidor 50 y cubeta envolvente 10. La cubeta envolvente 10 puede estar obtenida, por ejemplo, por moldeo de inyección de plástico esencialmente en dos partes, una parte delantera 10a, y una parte trasera 10b. La parte delantera 10a comprende una primera semipared envolvente exterior 12a y una pared frontal 13 con un borde periférico exterior rígidamente unido a un extremo de dicha primera semipared envolvente 12a y un borde periférico interior que delimita dicha boca de carga/descarga 18. Sobre dicha pared frontal 13 de la cubeta envolvente 10 está fijado un contrapeso 40 de un material sólido y denso, tal como un metal relativamente pesado u hormigón, que puede adoptar una forma anular, cuadrangular con una gran abertura central, o cualquier otra forma conveniente. La parte trasera 10b comprende una segunda semipared envolvente 12b y una pared de fondo 14 con un borde periférico exterior rígidamente unido a un extremo de dicha segunda semipared envolvente exterior 12b, cuya pared de fondo 14 incluye una pluralidad de costillas de refuerzo 14a, combinadas en direcciones tanto axiales como radiales, que se rematan en una zona central en un cubo 14b para una caja de rodamientos 30, formada por un mero casquillo de acero, para unos rodamientos A y B. Las dos partes delantera y trasera 10a y 10b de la cubeta envolvente 10 se unen por los extremos libres de las respectivas primera y segunda semiparedes envolventes exteriores 12a y 12b mediante un encaje de forma 15 consolidado por unos medios de fijación ya sean mecánicos, como una brida de apriete, o por adhesión o soldadura.
Por su parte, el tambor 20 comprende una pared envolvente exterior 22, de revolución respecto a un eje geométrico M, típicamente cilindrica y provista de perforaciones, una pared frontal 23, con un borde periférico exterior rígidamente unido a un extremo de dicha pared envolvente exterior 22 y un borde periférico interior que delimita dicha boca de carga/descarga 28 del tambor 20, y una pared de fondo 24 con un borde periférico exterior rígidamente unido a un extremo de dicha pared envolvente exterior 22, cuya pared de fondo 24 incluye una pluralidad de costillas de refuerzo 24a, combinadas en direcciones tanto axiales como radiales, que se rematan en una zona central en un cubo 24b para un árbol motriz 16, alineado con dicho eje geométrico M, rígidamente unido a dicho cubo 24b. El árbol motriz 16 está insertado en los citados rodamientos A y B de manera que un extremo del mismo sobresale por el extremo exterior de la caja de rodamientos 30, sobre cuyo extremo sobresaliente del árbol motriz 16 va solidariamente unida una polea conducida 34 conectada mediante una correa 35 a una polea conductora 36 solidaria del eje de salida 38 del motor 32, el cual está rígidamente unido a la cubeta envolvente 10 mediante unos soportes 39. La pared citada frontal 23 del tambor 20 tiene una sección troncocónica 23b que habilita un espacio en el que va ubicado y fijado un contrapeso 42 formado por una pluralidad de anillos equilibradores de fluido 60 concéntricos que serán descritos en detalle más abajo con relación a la Fig. 7, junto con otros detalles constructivos del tambor. En el interior del tambor 20 se hallan dispuestas unas palas 29 para remover la carga de ropa en las etapas de lavado y aclarado, cuyas palas 29 son sustancialmente paralelas al eje geométrico M y se extienden en dirección radial una determinada longitud hacia el centro del tambor, y adoptan típicamente una sección transversal triangular hueca. Es característico de la máquina lavadora-centrifugadora de la presente invención que la proporción de la masa, ya sea real o equivalente obtenida por anillos equilibradores de fluido, del contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20 es al menos del 55% de la suma total de las masas de contrapeso 40 y 42 asociadas respectivamente a las partes delanteras de la cubeta envolvente 10 y tambor 20, es decir, que una mayor parte de la masa total de los citados contrapesos 40 y 42, resultante de la adición de sus respectivas masas mCE y ιncτ, se halla concentrada en el contrapeso 42 asociado a la parte delantera del tambor 20.
La Fig. 7 es un detalle ampliado que muestra un ejemplo de realización preferido del tambor 20, del que sólo se ha representado la mitad superior puesto que es sustancialmente simétrica a la mitad inferior. El recinto del tambor 20 comprende la pared exterior envolvente 22, la pared frontal 23 y una pared interior de fondo 27 construidas en una chapa metálica delgada, típicamente de acero inoxidable, y unidas por sus respectivos bordes por unos rebordonados 22a. Un soprte exterior 24 del tambor 20, obtenido mediante moldeo por inyección de una aleación metálica ligera, tal como aluminio, está adosado exteriormente a la pared interior de fondo 27, cuyo soporte 24 incluye una pluralidad de costillas de refuerzo 24a, combinadas en direcciones tanto axiales como radiales, que se rematan en una zona central en un cubo 24b para un árbol motriz 16, de acero, alineado con dicho eje geométrico M y rígidamente unido a dicho cubo 24b por encajes de forma obtenidos disponiendo dicho árbol motriz 16 como una inclusión metálica en la pieza moldeada de aluminio. Por su parte la cara frontal 23 incluye una sección troncocónica 23b que habilita un espacio para dichos anillos equilibradores de fluido 60 concéntricos, cuya sección troncocónica 23b se remata en un borde periférico interior con una acanaladura cerrada 23a que delimita la boca de carga/descarga 28. Los anillos equilibradores de fluido 60 están obtenidos de una manera clásica mediante moldeo de plástico por inyección en dos piezas; una primera pieza 60a, que comprende una pared lateral 62, en forma de corona circular, de la que se proyectan una pluralidad paredes anulares cilindricas 64, y una segunda pieza 60b, a modo de tapa, provista de una pluralidad de tapones (no mostrados), cada uno correspondiendo a uno de los anillos 60, para el llenado/vaciado de los mismos, y que eventualmente puede incluir unos tabiques 66 o ranuras anulares para acoplar o encajar con las paredes anulares cilindricas 64 de la primera pieza 60a. Ambas piezas están solidariamente unidas mediante adhesivo o soldadura formando una pluralidad de cámaras estancas concéntricas adaptadas pare ser llenadas parcialmente con un fluido equilibrador. Para un mayor aprovechamiento del espacio disponible, el anillo situado en la posición más interior se adapta a dicha sección troncocónica 23b de la pared frontal 23. En cualquiera de las primera y segunda piezas 60a y 60b, preferiblemente en la primera, se hallan unos pequeños deflectores (no mostrados) dispuestos en el interior de cada una de la cámaras estancas, cuya finalidad es la de propiciar el arrastre del fluido junto con las paredes anulares cilindricas 64, especialmente durante el inicio de la aceleración para alcanzar una velocidad de centrifugado. Tales deflectores no deben impedir, sin embargo, la libre distribución del agua para formar dicho horizonte circular. En el ejemplo de realización arriba descrito, todo el conjunto de tambor 20 está empaquetado y rigidizado por unos tirantes 80 paralelos al eje geométrico M que atraviesan las citadas paredes exterior e interior de fondo 24, 27, la pared frontal 23 y las primera y segunda piezas 60a, 60b de los anillos equilibradores de fluido 60, atravesando el tambor 20 por el interior de cada una de las citadas palas 29 de perfil de sección transversal triangular, las cuales trabajan a compresión como elementos de rigidización. Cada tirante 80 tiene una cabeza 82 retenida en un rebajo de la pared exterior de fondo 24 y un extremo fileteado que sobresale de los anillos equilibradores de fluido 60 para recibir una tuerca 84 de apriete y bloqueo. Una pieza de refuerzo 86, en forma de corona circular, está interpuesta entre dichas tuercas 82 y los anillos equilibradores de fluido 60 para repartir mejor la presión ejercida por los tirantes sobre una mayor superficie exterior de dichos anillos equilibradores de fluido 60. Para permitir el paso de los tirantes 80, los anillos equilibradores de fluido 60 incluyen unos orificios de paso, no mostrados, de manera que una de sus cámaras estancas concéntricas queda sacrificada, lo que permite habilitar unas paredes anulares 68 de mayor grosor adyacentes a dichos orificios de paso para resistir la presión ejercida por los tirantes.
Un experto en la técnica del sector será capaz de introducir numerosos cambios y variaciones sin que estos se salgan del alcance de la presente invención, el cual está definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVΓNDICACIONES
1.- Máquina centrifugadora con grupo flotante en suspensión y tambor en voladizo, tal como una máquina lavadora-centrifugadora prevista para altas velocidades de centrifugado con factores G elevados, cuyo grupo flotante en suspensión comprende: una cubeta envolvente (10) para contener y/o recoger un baño; un tambor (20) de paredes perforadas para una carga de materia a centrifugar (Q) montado de manera que puede girar dentro de dicha cubeta envolvente (10); un motor (32) fijado a la cubeta (10) y conectado a dicho tambor (20) para hacerlo girar, cuyo tambor (20) está provisto en uno de sus extremos de un árbol motriz (16) alineado con un eje geométrico (M), soportado y guiado por unos rodamientos (A, B) alojados en una caja de rodamientos (30) fijada a la cubeta envolvente (10), y en el cual al girar se crea, por un efecto de desequilibrio de masas producido por dicha carga de materia a centrifugar (Q), un eje real de rotación (N) distinto de dicho eje geométrico (M), mutuamente separados por una distancia correspondiente a una amplitud (XD) de desplazamiento dinámico; un contrapeso (40), de una predeterminada masa (IΠCE), de equilibrado asociado a una parte de la cubeta envolvente (10) distal de dichos rodamientos (A, B); y un contrapeso (42), de una predeterminada masa (mCτ), de equilibrado asociado a una parte de dicho tambor (20) distal de los rodamientos (A, B), caracterizada porque: la mayor parte de la masa total de los citados contrapesos (40 y 42), resultante de la adición de sus respectivas masas (mCE y ιncτ), se halla concentrada en el contrapeso (42) asociado al tambor (20), siendo dicha masa (m τ) del contrapeso
(42) o bien de una magnitud (TUPE) dada y centrada con dicho eje geométrico (M) del tambor (20) o de una magnitud (mA) muy inferior y en forma de uno o más anillos de fluido (60) que, al girar a una velocidad tal que produce un factor G superior a 1 y por encima de la frecuencia de resonancia del grupo flotante, queda descentrada a una distancia muy superior a dicha amplitud (XD) de desplazamiento dinámico produciendo unos efectos dinámicos equivalentes a los de dicha magnitud (mPE) dada, de manera que las tensiones estructurales a que está sometido el grupo flotante resultan sustancialmente reducidas; y porque varias partes de dicho grupo flotante, como la cubeta envolvente (10), el tambor (20), dicha caja de rodamientos (30), los rodamientos (A, B) y dicho árbol motriz (16), están construidas con unas exigencias de resistencia mecánica, ya sea por forma, materiales o componentes, sensiblemente menores respecto a las que serían necesarias si dicha mayor parte de la masa total de los citados contrapesos (40 y 42) se hallara concentrada en el contrapeso (40) asociado a la cubeta envolvente (10).
2 - Máquina, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la relación de la masa (mcr) asociada al tambor (20) respecto a dicha masa total de los citados contrapesos (40 y 42), resultante de la adición de sus respectivas masas (mcE y m τ)> es de al menos un 55%, es decir, que se cumple la relación [mcτl( mcε + m τ)] x 100 > 55.
3.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque dichos anillos de fluido (60) comprenden una pluralidad de cámaras concéntricas susceptibles de albergar un líquido que las llena parcialmente, cuyas cámaras se hallan dispuestas en una zona periférica de una pared frontal (23) del tambor (20), siendo cada una de dichas cámaras de una altura radial interior sustancialmente igual al doble de una distancia correspondiente a la máxima amplitud (XD) del desplazamiento dinámico del grupo flotante, es decir, la distancia entre dicho eje geométrico (M) y dicho eje real de rotación (N) a la máxima velocidad de centrifugado.
4.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque cada una de dichas cámaras concéntricas es estanca y está parcialmente llena con una cantidad de un fluido suficiente para formar, a la máxima velocidad de centrifugado, un horizonte circular (H) tangente a un punto de una pared exterior (PE) cilindrica de la cámara y separado de la misma una distancia dos veces dicha amplitud (XD) en un punto diametralmente opuesto al de dicha tangencia.
5.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque dichos anillos de fluido (60) comprenden al menos tres de dichas cámaras concéntricas.
6.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque dichos anillos de fluido (60) comprenden cuatro de dichas cámaras concéntricas.
7.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque dichos anillos de fluido (60) comprenden cinco de dichas cámaras concéntricas.
8.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque dicha pared frontal (23) comprende un borde periférico exterior rígidamente unido a un extremo de una pared envolvente (22) del tambor (20) y una boca de carga descarga (28) de acceso axial al mismo, y una zona escalonada que habilita un espacio para dichos anillos de fluido (60) entre dicho borde exterior y dicha boca de carga/descarga (28).
9.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada porque dichos anillos de fluido (60) tienen una anchura axial que no sobresale del plano de dicha boca de carga/descarga (28), y porque dicha zona escalonada comprende una sección troncocónica (23b) estando la más interior de dicha pluralidad de cámaras concéntricas de los anillos de fluido (60) adaptada a la forma de dicha sección troncocónica (23b).
10.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada porque los anillos de fluido (60) comprenden unas primera y segunda piezas (60a y 60b) obtenidos mediante moldeo de plástico por inyección, cuya primera pieza (60a) comprende una pared lateral (62), en forma de corona circular, de la que se proyectan una pluralidad de paredes anulares cilindricas (64) y unos pequeños deflectores dispuestos entre las mismas para propiciar un arrastre del fluido sin impedir una libre distribución del mismo, mientras que dicha segunda pieza (60b) es susceptible de ser fijada herméticamente a modo de tapa sobre dicha primera pieza (60a) para formar dicha pluralidad de cámaras concéntricas estancas, incluyendo una pluralidad de tapones, cada uno correspondiendo a una de dichas cámaras, para el llenado/vaciado de las mismas.
11.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada porque el tambor
(20) comprende, además de dicha pared envolvente (22) y de la pared frontal (23) una pared interior de fondo (27), estando dichas tres paredes (22, 23, 27) construidas de chapa delgada de acero inoxidable y unidas por sus respectivos bordes mediante unos rebordonados 22a, y un soporte exterior de fondo (24), obtenido por moldeo de un material ligero, tal como aluminio, adosado exteriormente a dicha pared interior de fondo (27), cuyo soporte exterior de fondo (24) incluye una pluralidad de costillas de refuerzo (24a) combinadas en direcciones tanto axiales como radiales que se rematan en una zona central en un cubo (24b) de soporte de dicho árbol motriz (16), alineado con dicho eje geométrico (M), el cual es de un material más resistente y está rígidamente unido a dicho cubo (24b) por encajes de forma, como una inclusión en la pieza de la pared exterior de fondo (24) moldeada.
12.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizada porque el tambor (20) comprende, además, unos tirantes (80) paralelos a su eje geométrico (M) que lo atraviesan de un extremo a otro por el interior de unas palas (29), de perfil de sección transversal triangular y fijadas a la pared envolvente (22), formando un empaquetado con dichas paredes interior y exterior de fondo (24, 27), la pared envolvente (22), la pared frontal (23) y las primera y segunda piezas (60a, 60b) de los anillos equilibradores de fluido (60), donde dichas palas (29) trabajan a compresión como elementos de rigidización del tambor (20).
13.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque cada uno de dichos tirantes (80) tiene una cabeza (82) retenida en un correspondiente rebajo del soporte exterior de fondo (24) y un extremo fileteado que sobresale de los anillos de fluido (60) para recibir una tuerca (84) de apriete y bloqueo, estando unas arandelas de refuerzo (86) interpuesta entre dichas tuercas (82) y los anillos de fluido (60) para repartir la presión ejercida por los tirantes (80) sobre una mayor superficie exterior de dichos anillos equilibradores de fluido (60).
14.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizada porque los anillos de fluido (60) incluyen además, entre dos de sus cámaras concéntricas estancas, unas paredes anulares (68) de mayor grosor que tienen formados unos orificios para permitir el paso de los tirantes (80) a su través, cuyas paredes anulares (68) están adaptadas para resistir la presión ejercida por los tirantes (80).
15.- Máquina, de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque la cubeta envolvente (10) comprende una parte delantera (10a) y una parte trasera (10b) obtenidas por moldeo de inyección de plástico, cuya parte delantera (10a) comprende una primera semipared envolvente exterior (12a) y una pared frontal (13) que incluye una boca de carga/descarga (18), mientras que la parte trasera (10b) comprende una segunda semipared envolvente (12b) y una pared de fondo (14) que incluye una pluralidad de costillas de refuerzo (14a) combinadas en direcciones tanto axiales como radiales, que se rematan en una zona central en un cubo (14b) para dicha caja de rodamientos (30), formada por un casquillo metálico, estando ambas partes delantera y trasera (10a y 10b) unidas por unos extremos libres de sus respectivas primera y segunda semiparedes envolventes (12a y 12b) mediante un encaje de forma (15) consolidado por unos medios de fijación ya sean mecánicos, por adhesivo o soldadura.
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