Патент на изобретение №2183136

(54) РОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ УСТАНОВКИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к машиностроению, в частности к центробежным установкам для осуществления центробежных технологических процессов, вызывающих значительную динамическую неуравновешенность вертикального ротора. Роторный механизм содержит рабочий орган (1), газостатический вертикальный опорный узел, состоящий из пяты (2) и подпятника (3) с отверстием (4) для подвода газа, систему газообеспечения, содержащую, по крайней мере, один вентилятор (5), связанный с отверстием (4) подпятника (3), и привод (6) с механической передачей (7). Рабочий орган (1) соединен с пятой (2), образуя ротор (8) с центром масс С_r. Несущие поверхности пяты (2) и подпятника (3) выполнены в виде сферических поясов. Вентилятор (5) имеет критерий быстроходности n_У меньше 200. Механическая передача (7) привода (6) состоит из трех валов, соединенных с возможностью пересечения осей, при этом один из валов выполнен телескопическим. Ротор (8) выполнен таким образом, что зона наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа (1) расположена в зоне максимальной эксплуатационной неуравновешенности ротора (8). Зона максимального эксплуатационного дисбаланса расположена от центра масс С_r ротора (8) на расстоянии, определяемом соотношением

где Н – расстояние от центра масс ротора до плоскости расположения зоны наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа, м; I₀ – осевой момент инерции ротора, кгм²; I_Э – экваториальный момент инерции ротора, кгм²; m – масса наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа, кг; R_m – расстояние от центра масс наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа до оси ротора, м; М – масса ротора, кг. Изобретение обеспечивает оптимизацию функциональных характеристик газостатического опорного узла, системы газообеспечения и привода. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к центробежным установкам с вертикальным ротором (дробилки, мельницы, центрифуги различного назначения, испытательные стенды) и может быть использовано для осуществления центробежных технологических процессов, вызывающих значительную динамическую неуравновешенность ротора.

Известен роторный механизм центробежной установки (роторной мельницы), содержащий рабочий орган, вертикальный вал, жестко соединенный с рабочим органом, образуя ротор, и привод с механической передачей, при этом нижняя и верхняя части вала установлены в подшипниковых узлах, жестко закрепленных на корпусе установки (1).

Однако из-за жесткого закрепления подшипниковых узлов ротор не обладает способностью к радиальным и угловым смещениям, что приводит к высоким вибрационным нагрузкам на корпус установки и, следовательно, на фундамент. Подшипниковые узлы быстро изнашиваются вплоть до разрушения при возникновении значительной динамической неуравновешенности, что ограничивает область применения данного роторного механизма.

Известен роторный механизм центробежной установки (центрифуги), содержащий рабочий орган (барабан), газостатический вертикальный опорный узел с конусными несущими поверхностями, пята которого соединена с рабочим органом, образуя ротор, а подпятник которого выполнен с отверстиями для подвода газа к несущим поверхностям, систему газообеспечения, связанную с подпятником, и привод (2).

Однако из-за выполнения опорного узла с конусными несущими поверхностями и выполнения системы газообеспечения с компрессором, который не позволяет создать достаточно широкий рабочий зазор между несущими поверхностями с приемлемыми энергозатратами, амплитуда радиальных и угловых смещений ротора ограничена, в связи с чем известный роторный механизм не может быть использован для осуществления центробежных технологических процессов, вызывающих значительную динамическую неуравновешенность ротора.

Известен также роторный механизм центробежной установки (центрифуги), содержащий рабочий орган, газостатический вертикальный опорный узел с полусферическими несущими поверхностями с близкой кривизной, пята которого соединена с рабочим органом, образуя ротор, а подпятник (статор) которого имеет отверстия для подвода и отвода газа, систему газообеспечения, связанную с подпятником, и пневмопривод, взаимодействующий с опорным узлом с возможностью радиальных и угловых смещений ротора, при этом центр кривизны несущих поверхностей совпадает либо расположен выше центра масс ротора (3).

Однако известный роторный механизм обладает низкой надежностью и не позволяет добиться значительного снижения динамических воздействий ротора на опорный узел и фундамент центробежной установки при осуществлении центробежных технологических процессов, вызывающих значительную динамическую неуравновешенность ротора при высоких удельных энергозатратах, вследствие того, что функциональные характеристики опорного узла (параметры несущих поверхностей и величина зазора между несущими поверхностями), системы газообеспечения (параметры газового потока) и привода (вращательный момент, передаваемый на ротор) не оптимизированы.

Кроме этого, из-за минимально возможного создаваемого зазора требуется с высокой точностью изготавливать несущие поверхности и балансировать ротор. Из-за выполнения несущих поверхностей в виде полусферы опорный узел является достаточно материалоемким и сложным при изготовлении.

Задача изобретения состоит в повышении надежности, расширении областей использования и снижении динамических воздействий ротора на опорный узел и фундамент центробежной установки при осуществлении центробежных технологических процессов, вызывающих значительную динамическую неуравновешенность ротора, с одновременным снижением удельных энергозатрат за счет оптимизации функциональных характеристик газостатического опорного узла, системы газообеспечения и привода, а также в снижении требований к точности изготовления несущих поверхностей и балансировки ротора за счет увеличения создаваемого зазора, в сокращении материалоемкости и упрощении изготовления за счет уменьшения площади несущих поверхностей.

Сущность изобретения заключается в том, что для решения поставленной задачи в роторном механизме центробежной установки, содержащем рабочий орган, газостатический вертикальный опорный узел с несущими поверхностями в виде части сферы, пята которого соединена с рабочим органом, образуя ротор, и имеет центр кривизны несущей поверхности, расположенный выше центра масс ротора, а подпятник которого имеет отверстия для подвода газа к несущим поверхностям, систему газообеспечения, связанную с подпятником, и привод, позволяющий угловые и радиальные смещения ротора, отличием является то, что несущие поверхности пяты и подпятника выполнены в виде сферических поясов, радиусы которых связаны соотношением

где R_r – радиус несущей поверхности пяты, м;
R_s – радиус несущей поверхности подпятника, м;
S_2r – рабочий зазор между несущими поверхностями на радиусе большего основания подпятника, м,
а радиусы оснований поясов связаны соотношениями
R_r1/R_r2=0,4…0,87 (2),
R_s1/R_s2=0,4…0,87 (3),
где R_r1 – радиус меньшего основания пяты, м;
R_r2 – радиус большего основания пяты, м;
R_s1 – радиус меньшего основания подпятника, м;
R_s2 – радиус большего основания подпятника, м,
причем радиус большего основания пяты и подпятника меньше или равен радиусу несущей поверхности пяты и подпятника соответственно
R_r2R_r (4), R_s2R_s (5)
а радиус несущей поверхности пяты и радиус большего основания подпятника связаны таким образом, что рабочий зазор между несущими поверхностями на радиусе большего основания подпятника определяется соотношением

где е – наибольший эксплуатационный удельный дисбаланс (эксцентриситет) ротора, м;
L_c – расстояние от центра кривизны несущей поверхности пяты до центра масс ротора, м;
– наибольший эксплуатационный угол между главным вектором и моментом дисбалансов (неуравновешенных сил) ротора, рад,
при этом ротор выполнен таким образом, что зона наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа расположена в горизонтальной плоскости, находящейся на расстоянии от центра масс ротора, определяемом из соотношения

где Н – расстояние от центра масс ротора до плоскости расположения зоны наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа, м;
I_o – осевой момент инерции ротора, кгм²;
I_э – экваториальный момент инерции ротора, кгм²;
m – масса наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа, кг;
R_m – расстояние от центра масс наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа до оси ротора, м;
М – масса ротора, кг,
система газообеспечения содержит, по крайней мере, один вентилятор с критерием быстроходности n_y, меньшим 200, определяемым соотношением

где С – коэффициент пропорциональности (с60,776);
L – производительность, м³/с;
– частота вращения, рад/с;
Р – давление, Па;
– плотность газа, кг/м³,
а привод с механической передачей состоит из трех валов, соединенных попарно с возможностью пересечения осей, при этом один из валов выполнен телескопическим.

Изобретение проясняется чертежами: фиг.1 – общий вид роторного механизма центробежной установки в исходном состоянии, фиг.2 – схема роторного механизма центробежной установки с образованным газовым зазором.

Роторный механизм центробежной установки (фиг.1) содержит рабочий орган 1 для осуществления центробежных технологических процессов, газостатический вертикальный опорный узел, состоящий из пяты 2 и подпятника 3 с отверстием 4 для подвода газа, несущие поверхности которых выполнены в виде сферических поясов, систему газообеспечения, содержащую, по крайней мере, один вентилятор 5, связанный с отверстием 4 подпятника 3, и привод 6 с механической передачей 7. Рабочий орган 1 соединен с пятой 2, образуя ротор 8 с центром масс С_r (фиг.2).

Несущие поверхности пяты 2 и подпятника 3 выполнены в виде сферических поясов. Радиусы кривизны несущих поверхностей пяты 2 и подпятника 3 связаны соотношением (1). Соотношение (1) отвечает оптимальной связи между радиусами несущей поверхности пяты R_r (фиг.2), несущей поверхности подпятника R_s и рабочим зазором на радиусе большего основания подпятника _2r.

При R_s-S_2r=R_r сферические поверхности пяты и подпятника образуют эквидистантный зазор, обеспечивающий максимальное значение радиальной жесткости и демпфирования газового слоя, что повышает устойчивость работы роторного механизма во всех режимах работы. Однако при этом необходимо использование специальных мер при подаче газа в зазор в начале работы, например подключение дополнительного вентилятора или введение ограничителя, обеспечивающего минимальный зазор между несущими поверхностями при выключенной системе газообеспечения. Это достигается, в частности, закреплением поясков, по крайней мере, на одной из несущих поверхностей в зоне максимального радиуса их больших оснований. Такие пояски могут выполняться из износостойкого материала, предохраняющего несущие поверхности при аварийном отключении системы газообеспечения.

При R_r= R_s технологически удобно изготавливать несущую поверхность пяты по изготовленному ранее подпятнику, например, методом выклейки из стеклопластика или сбором из сегментов (элементов).

В том случае, если R_r превышает R_s, специальных мер для создания минимального зазора в начале работы не требуется.

При R_r= R_s+, гдe – толщина стенки подпятника, удобно изготавливать пяту и подпятник методом штамповки взрывом по одной матрице.

Соотношения (2), (3) обеспечивают оптимальный выбор радиусов оснований пяты и подпятника из критериев устойчивости движения ротора, его грузоподъемности и энергопотребления. Минимальное энергопотребление при оптимальных величинах упругодемпферных характеристик газового слоя (жесткость и демпфирование), как показали испытания, имеет место при выполнении приведенного соотношения. Уменьшение R_r1/R_r2, R_s1/R_s2 до величин менее 0,4 сопровождается незначительным ростом радиальной жесткости газового слоя и радиального демпфирования при существенном возрастании энергопотребления на создание газовой подушки. В то же время увеличение соотношений (2), (3) более 0,87 обеспечивает незначительный выигрыш по энергопотреблению, но сопровождается существенным падением жесткости и демпфирования газового слоя.

Ограничения (4), (5) обусловлены, во-первых, обеспечением рационального размещения рабочего органа ротора особенно при непрерывных технологических процессах, во-вторых, уменьшением вертикальных габаритов центробежного устройства и, в-третьих, удобством монтажа и эксплуатации роторного механизма центробежной установки.

Эксплуатационный дисбаланс ротора, невысокие требования к точности изготовления опорного узла, неуравновешенность, обусловленная технологическим процессом, определяют минимальную величину газового зазора в системе пята-подпятник (соотношение 6). Увеличение рабочего зазора дает возможность значительно расширить диапазон допустимой эксплуатационной статической и моментной неуравновешенности ротора и таким образом расширить область применения центробежных установок. Так, барабаны центрифуг по системе классов точности балансировки в соответствии со стандартами ИСО 1940-1-86, ИСО 1940-2-90, относятся к 5 классу точности, что соответствует при эксплуатационной угловой скорости 100 рад/с значению эксцентриситета е_ст=0,063-0,16 мм. Центробежные установки на описанной выше газовой опоре опробованы на рабочих зазорах 1-10 мм. Использование таких зазоров позволяет при тех же угловых скоростях в 5-50 раз увеличить величину допустимой динамической неуравновешенности и, таким образом, значительно расширить диапазон использования центробежных установок.

Приведенное выше описание устройства относится к его работе как в дорезонансном, так и зарезонансном режимах. В зарезонансном режиме имеет место эффект самоцентрирования, при котором ось вращения стремится совместиться с главной центральной осью инерции ротора. Заявителем в результате расчетов и испытаний было обнаружено, что при перемещении специально вносимой дисбалансной массы вдоль оси вращения ротора амплитуда колебаний минимальной величины газового зазора уменьшается практически до нуля, а затем начинает возрастать. Расстояние Н (фиг.2) от центра масс ротора С_r, определяющее плоскость положения груза, при котором наблюдается описанный эффект, выражается соотношением (7).

Выполнение условия (7) обеспечивает совмещение главной центральной оси инерции ротора с осью подпятника, что обуславливает постоянство минимального зазора пята-подпятник. На фиг.2 рабочий орган размещен таким образом, что зона его максимального дисбаланса, обусловленного технологическим процессом, находится на расстоянии Н от центра масс ротора С_r. Минимальный зазор пята-подпятник не будет изменяться даже при возникновении значительной неуравновешенности. Данный эффект используется для технологических центробежных установок, в которых возникающая неуравновешенность имеет место в определенной зоне рабочего органа. Для осадительных центрифуг это зона накопления и выброса осадка, для дробилок и мельниц – зона движения материала и износа соответствующих элементов рабочего органа. Расположение зоны максимальной неуравновешенности в горизонтальной плоскости, отстоящей на величину Н от центра масс ротора, минимизирует колебания воздушного зазора, существенно расширяет возможности центробежных машин, увеличивает их надежность и ресурс.

Для оптимизации удельных энергозатрат вентилятор 5 выбирают с критерием быстроходности, определяемым соотношением (8).

Механическая передача 7 привода 6 состоит из трех валов, соединенных попарно с возможностью пересечения осей, один из крайних валов связан с ротором 8, а второй – с приводом 6. При этом один из валов передачи выполнен телескопическим. Возможен вариант исполнения механической передачи, содержащей два шарнира равных угловых скоростей или два карданных шарнира, один из которых связан валом с ротором 8, а второй – валом с приводом 6. Такая конструкция позволяет вращение ротора 8 с угловыми и радиальными смещениями.

Изобретение используют следующим образом.

Включают вентилятор 5, поток газа (воздуха) через отверстие 4 подается к несущим поверхностям пяты 2 и подпятника 3. Благодаря тому, что пята 2 и подпятник 3 выполнены с несущими поверхностями в виде сферических поясов, а система газообеспечения содержит вентилятор 5, достигается увеличение грузоподъемности ротора 8 за счет увеличения площади действия максимального давления на поверхность пяты 2, что позволяет значительно увеличить создаваемый зазор S_2r (по сравнению с прототипом), конкретная величина которого определяется соотношением (6).

Затем включают привод 6, который с помощью механической передачи 7 приводит во вращение ротор 8.

Благодаря выполнению привода с механической передачей 7 достигается увеличение (по сравнению с прототипом) передаваемого на ротор 8 вращательного момента. Благодаря выполнению механической передачи 7 в виде трех валов, соединенных попарно, с возможностью пересечения осей, достигается возможность угловых и радиальных смещений ротора в пределах зазора относительно подпятника 3.

Благодаря тому, что один из валов выполнен телескопическим, ротор 8 может совершать осевые перемещения.

При вращении ротора 8 в рабочем органе 1 создается поле центробежных сил, с помощью которого осуществляется центробежный технологический процесс (дробление, измельчение, центрифугирование различного назначения и т.д.). По целому ряду причин (неравномерность движения материала в рабочем органе, износ, залегание и т.д.) центробежный технологический процесс может вызвать значительную динамическую неуравновешенность ротора 8, которая приводит к существенному увеличению амплитуды его радиальных и угловых смещений.

Благодаря выполнению несущих поверхностей пяты 2 и подпятника 3 в виде сферических поясов с параметрами, определяемыми соотношениями (1), (2), (3), (4), (5), и увеличению зазора между ними до величины, определяемой соотношением (6), ротору 8 обеспечивается возможность совершать радиальные и угловые смещения со значительно большей, чем у прототипа, амплитудой.

Таким образом, достигается повышение надежности работы роторного механизма в условиях значительной динамической неуравновешенности ротора 8 и снижение удельных энергозатрат.

Кроме этого, обеспечение возможности создать рабочий зазор до 10 мм позволяет существенно снизить требования к точности изготовления несущих поверхностей опорного узла и к балансировке ротора. Выполнение несущих поверхностей в виде сферических поясов позволяет снизить материалоемкость и упростить изготовление пяты 2 и подпятника 3.

Источники информации
1. Авт. св. СССР 1414451, В 02 С 13/14, публ. 1988 г.

2. Патент США 3958753, В 04 В 9/04, публ. 1976 г.

3. Патент Великобритании 839622, В 04 В 9/12, публ. 1960 г.

Формула изобретения

1. Роторный механизм центробежной установки, содержащий рабочий орган, газостатический вертикальный опорный узел с несущими поверхностями в виде части сферы, пята которого соединена с рабочим органом, образуя ротор, и имеет центр кривизны несущей поверхности выше центра масс ротора, а подпятник которого имеет отверстия для подвода газа к несущим поверхностям, систему газообеспечения, связанную с подпятником, и привод, обеспечивающий угловые и радиальные смещения ротора, отличающийся тем, что несущие поверхности пяты и подпятника выполнены в виде сферических поясов, радиусы которых связаны соотношением

где R_r – радиус несущей поверхности пяты, м;
R_s – радиус несущей поверхности подпятника, м;
S_2r – рабочий зазор между несущими поверхностями на радиусе большего основания подпятника, м,
радиусы оснований поясов связаны соотношениями
R_r1/R_r2=0,4…0,87, R_s1/R_s2=0,4…0,87,
где R_r1 – радиус меньшего основания пяты, м;
R_r2 – радиус большего основания пяты, м;
R_s1 – радиус меньшего основания подпятника, м;
R_s2 – радиус большего основания подпятника, м,
причем радиус большего основания пяты и подпятника меньше или равен радиусу несущей поверхности пяты и подпятника, соответственно
R_r2R_r, R_s2R_s,
а радиус несущей поверхности пяты и радиус большего основания подпятника связаны таким образом, что рабочий зазор между несущими поверхностями на радиусе большего основания подпятника определяется соотношением

где е – наибольший эксплуатационный удельный дисбаланс (эксцентриситет) ротора, м;
L_c – расстояние от центра кривизны несущей поверхности пяты до центра масс ротора, м;
– наибольший эксплуатационный угол между главным вектором и моментом дисбалансов (неуравновешенных сил) ротора, рад.

2. Роторный механизм по п.1, отличающийся тем, что ротор выполнен таким образом, что зона наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа расположена в горизонтальной плоскости, находящейся на расстоянии от центра масс ротора, определяемом из соотношения

где Н – расстояние от центра масс ротора до плоскости расположения зоны наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа, м;
I_о – осевой момент инерции ротора, кгм²;
I_э – экваториальный момент инерции ротора, кгм²;
m – масса наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа, кг;
R_m – расстояние от центра масс наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа до оси ротора, м;
М – масса ротора, кг.

3. Роторный механизм по п.1, отличающийся тем, что система газообеспечения содержит, по крайней мере, один вентилятор с критерием быстроходности n_у, меньшим 200 и определяемым соотношением

где С – коэффициент пропорциональности (с60,776);
L – производительность, м³/с;
частота вращения, рад/с;
Р – давление, Па;
– плотность газа, кг/м³.

4. Роторный механизм по п.1, отличающийся тем, что привод содержит механическую передачу, состоящую из трех валов, соединенных с возможностью пересечения осей, при этом один из валов выполнен телескопическим.

РИСУНКИ