Фильтрующая центрифуга
Изобретение относится к машиностроению, а именно к центрифугированию, и может быть использовано в химической, угольной и других отраслях промышленности. Целью изобретения является упрощение конструкции центрифуги и снижение ее энергоемкости. Фильтрующая центрифуга содержит виброизолированный корпус 1 и ротор 2, укрепленный на валу 4. На корпусе 1 смонтирована посредством стакана 7 цапфа 6, связанная с приводом. Вал 4 закреплен в цапфе 6 с помощью упругого элемента 5 из анизотропного материала. Угловые жесткости Ж 1 и Ж 2 упругого элемента 5 относительно его горизонтальных осей симметрии удовлетворяют соотношению Ж 1-Ж 2/Ж 1+Ж 2=0,2√1+0,128 .10 -3.Ж 1+Ж 2/I, где I - момент инерции ротора относительно горизонтальной оси, проходящий через центр масс упругого элемента 5. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
М А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
4Р
4:в
Фуга я1
6
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ по изОБРетениям и отнРытиям
ПРИ ГКНТ СССР (21) 4608992/31-13 (22) 24.11.88
{46) 07.09.90. Вюл. к - 33 (71) Донецкий политехнический институт (72) В.Н. Боловодский, Н.В. Сухин и З.Е. Филер (53) 621.928,3(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
Ф 571307., кл. В 04 В 3/06, 1975, (54) ФИЛЬТРУЮЩАЯ ЦЕНТРИФУГА (57) Изобретение относится к машиностроению, а именно к центрифугпрованию, и может быть использовано в химической, угольной и других отраслях промьппленности. Целью изобретения является упрощение конструкции цент„„Я0„„1590140 щ)5 В 04 В 3/06
2 рифуги и снижение ее энергоемкости
Фильтрующая центрифуга содержит виброизолированный корпус 1 и ротор 2, укрепленный на валу 4. На корпусе 1 смонтирована посредством стакана 7 цапфа 6, связанная с приводом. Вал 4 закреплен в цапфе 6 с помощью упругого элемента 5 иэ анизотропного материала. Угловые жесткости Ж1 и Ж упругого элемента 5 относительйо ее горизонтальных осей симметрии удовлетворяют соотношению Ж - Ж /Ж,+Ж
= 0,2 1+0,128 10- . Ж, + Ж /I, где
I — момент инерции ротора относителнно горизонтальной оси, проходящей через центр масс упругого элемента 5 ° 2 ил. е
1590140 (2) 0
Ж1 — Жг — p
Же+ Жг
3) Жг+ Жг
Изобретение относится к машиностроению, а именно к центрифугированию, и может быть использовано в химической, угольной и других отраслях промышленности.
Целью изобретения является упрощение конструкции и снижение энергоемкости центрифуги.
На фиг. 1 изображена предложенная центрифуга, продольный разрез; на фиг. 2 — сечение А-А на фиг. 1.
Фильтрующая центрифуга содержит .виброизолированный корпус 1, в котором расположен ротор 2, установленный 15 с помощью подшипников .3 на валу 4. Вал
4 посредством анизотропного упругого элемента 5 закреплен в цапфе 6. Угловые жесткости Ж1, Ж упругого элемента 5 относительно осей симметрии сечения ОХ u OZ проходящих через центр масс О упругого элемента 5, различны. Оси симметрии сечения ОХ и OZ являются также осями симметрии упругого элемента 5. Различие угловых жесткостей может обеспечиваться различным образом, например наличием отверстий, расположенных симметрично
oTHocHTeJIbHo ToMIcI< 0 (фиг. 2.). YrJIQвые жесткости Ж1, Ж удовлетворяют соотношению где I — момент инерции ротора относительно горизонтальной оси, проходящей через центр масс упругого элейента. 40
Упругий элемент 5, выполненный из анизотропного материала, размещен в цапфе 6, которая установлена на корпусе 1 посредством стакана 7 и с помощью шкива 8 соединена с двигателем
9. Ротор 2 посредством шкива 10 соединен с двигателем 11. Фильтрующая центрифуга снабжена загрузочным патрубком 12, сборником 13 фугата и сборником 14 осадка.
Поясним механизм возбуждения угловых колебаний ротОра.
В предлагаемой фильтрующей центрифуге,цвижение ротора осуществляется не принудительным образом, а основано на явлении параметрического резонанса, сущность которого состоит в следующем. Существует достаточно широкий класс механических систем, движение которых описывается дифференциальными уравнениями с периодическими коэффициентами. В таких системах при определенных соотношениях между угловой частотой изменения параметра и одной из собственных частот системы положение покоя по соответствующей координате становится неустойчивым и при малейших возмущениях, неизбежных в реальных механических системах, происходит возбуждение колебаний, называемых параметрическими. Особенность этих колебаний состоит в том, что возбуждаются и поддерживаются они не каким-либо внешним воздействием, а периодическим изменением одного из параметров системы: массы, момента инерции,или коэффициента жесткости упругих элементов, Даже в системах с одной степенью свободы возможно возбуждение различных параметрических резонансов. Наиболее широкая область возбуждения соответствует главному параметрическому резонансу, Условия
его возбуждения для механической системы, описываемой уравнением,1г 1 dq
dt dt 0 г- — + 2Š— + (1+2 ic соз2(с) t) q =
В имеют следующий вид (d 1 (— ) 2- ((d (g
2Е где q — обобщенная координата системы; — коэффициент трения; ог — собственная частота системы; р — коэффициент параметрического возбуждения;
2 а) — частота параметрического возбуждения.
При этом колебания системы происходят с частотой, равной половине частоты параметрического возбуждения.
В предлагаемой центрифуге таким переменным параметром, обеспечивающим возбуждение параметрических колебаний ротора, является угловая жесткость упругого элемента 5. Действительно, вследствие различных угловых жесткостей Ж,, Ж анизотропного упругого элемента 5 при вращении цапфы 6 изменяется и угловая жесткость упругого элемента 5 относительно некоторой фиксированной горизонтальной оси, проходящей через его центр масс, Причем за один оборот цапфы 6 изменение угловой жесткости происходит дважды. Изменение угловой жесткости и создает прин5 159014 ципиальную основу для возбуждения угловых параметрических колебаний ротора.
В промьшшенных центрифугах масса корпуса обычно значительно (в 9-10
5 раз) превьппает массу ротора. Предполагая выполнимость этих соотношений и в данном случае, при анализе динамики ротора 2 пренебрегают перемещениями корпуса 1 и считают его неподвижным. Далее допустимо пренебречь также и перемещениями центра масс анизотропного упругого элемента 5 и рассматривать ротор 2 как тело с одной неподвижной точкой. Пусть 0 1 — неподвижная система координат с началом в точке 0 — центре масс упругого элемента 5, OXYZ — подвижная, жестко связанная с ротором 2. Положение ротора 20
2 в неподвижной системе определяют с помощью углов Эйлера: прецессии нутации Ц и собственного вращения (p.
Пусть ротор 2 вращается вокруг собственной оси с угловой скоростью 25
„C т.е. (p= Оценку жесткостных свойств анизотропного. упругого элемента 5 получают, рассмотрев потенциальную энергию его элементарного слоя при малых наклонах ротора и последующем интегрировании полученного. выражения ло высоте упругого элемента. В результате этого получают следующее выражение для потенциальной энергии П упругой деформации анизотропного упругого элемента 5: В устройствах резонансного типа, каким является и предлагаемая центрифуга, необходимо предусматривать запас устойчивости рабочих режимов к изменению параметров: массы загрузки, жесткости упругих элементов, частоты возбуждения и т.д. В общем случае эта задача может быть сведена к обеспечению запаса устойчивости к изменению частоты возбуждения, величина которого, равная 5Х, обычно используется в расчетах резонансных машин. В этом случае относительная ширина зоны возбуждения дЫ /и) параметрического резонанса должна составлять не более 10Х. Тогда выбирая в качестве рабочей частоты частоту, соответствующую середине зоны неустойчивости, т.е, полагая ы = и)„ из (3) после преобП = Ж б (1+2 р.соз2 отн) где Ж = (iK, +Æ ) /2 — среднее значение угловой жесткости; 0,5 (Ж, -Ж ) /(Ж,+Ж ) — параметр, характеризующий аниэотроМ пию жесткости» 45 / „- величина процессии ротора 2 относи-. тельно цапфы б. Учитывая вращение цапфы 6, получают П=Ж . 6 (1+2р соз2(ы t — y) . Я Предположим далее, что силы сопротивления, действующие в центрифуге, приведены к скорости деформации аниsoTpoIIHoI o упругoI о элемента 5 и известным образом составим выражения для кинематической энергии Т и диссипативной функции D. После этого, находя соответствующие производные O S функций П, Т, Р и подставляя полученные выражения в уравнении Лагранжа II-ro рода,.получают уравНения движения ротора 2. Для определения условий возбуждения параметрических колебаний достаточно рассмотреть линейные части полученных уравнений. Они имеют вид » -0 Ie +P Ж Р+Ж (1+2р cos2((dt- p) 8.= О, (4) где I — момент инерции ротора 2 относительно горизонтальной оси, проходящей через центр масс 0 анизотропного упругого элемента 5; — коэффициент поглощения энергии в упругом элементе, равный 1 = 8 10 с. Проведем анализ уравнений (4). В схеме фильтрующей центрифуги отсутствуют силы, обспечивающие и поддерживающие процессию ротора 2, слеI довательно, в стационарном режиме = (— const. Второе иэ уравнений, пос-. ле некоторых преобразований, можно представить в виде и de d8 Ф; — -+ 2Š— + (Ф (1+2 рсоз2Ы ) 8 =О, (5) Ф где 2Е = —, и „=Ж /I, i t-g,/ø . Таким образом, в первом приближении движение ротора 2 описывается одним уравнением второго порядка, вид которого совпадает с (2). 7 1590140 8 разований получают следующие соотношения Ж +3<2Iu);/Ж -Ж /= 4Х И10,01+(2 PuJ ) 5 Тогда, положив для определенности, что Ж< ) Ж» а м " Me ™ (Ж,+Ж )/2Х, из последних соотношений получают: Ж,=Хи (1+0,2 (M (6) 10 Ж Хы (1-0,2 1+(0,016<4 ) ) (7) и 1*0 128 .10 з; (1) *t+* Поясним принцип работы фипьтрующей 15 центрифуги. Пусть момент инерции ротора 2 I = 330 кгм, угловая скорость вращения цапфы б и колебаний ротора 2 ы = 74 с .. Подставив эти значения в соотношения 20 (6) и (7), определяют угловые жесткости аниэотропного упругого элемента 5: Ж, = 2,4.10 нм; Ж = 1,2;10 нм. При включении двигателей вращающий 25 момент от двигателя 11 через шкив 10 передается ротору 2 и в установившемся режиме сообщает ему вращение в подшипниках 3 вокруг собственнсй оси с угловой скоростью (d, Вращающий момент от двигателя 9 через шкив 8 передается цапфе 6, расположенной в стакане 7, которая совместно с анизотропным упругим элементом 5 и закрепленным в нем валом 4 начинает вращаться с возрастающей угловой скоростью. В про-35 цессе разгона двигателя 9 наклон рдто. ра 2 и деформации анизотропного упругого элемента 5 практически отсутствуют, в результате чего двигатель 9 преодолевает минимальные пусковые нагруз-40 ки, обусловленные лишь силой тяжести ротора 2. Как только угловая скорость вращения двигателя 9 и, следовательно, цапфы 6 совместно с анизотропным упругим элементом 5 достигает номи- 45 нальной величины, вертикальное положение ротора 2.становится неустойчивым и вследствие случайных возмущений, обусловленных погрешностями в изготовлении центрифуги или неравномерности 50 загрузки, возбуждаются параметрические колебания, в результате чего ротор 2 совершает угловые колебания с частотой со. Исходный материал через загрузоч- 55 ный патрубок 12 поступает в ротор 2 и распределяется по его рабочей повевхности. Жидкая фаза под действием нормальных составляющих действующих сил отделяется через щели боковой поверхности ротора 2 в сборник 13, а твердая фаза под действием составляю щих, параллельных образующей ротора 2, перемещается к его верхнему основанию и выгружается в сборник 14. Через соответствующие отверстия в корпусе 1 жидкая фаза и осадок выводятся из сборников 13 и 14.. Отсутствие стойки, эксцентрика, жестко закрепленного на конце вала,и. упругого элемента, связанного с ротором посредством подшипников, упрощает конструкцию центрифуги и технологию ее изготовления. Отсутствие эксцентрика, упругого элемента и амортизаторов, расположенных между шкивом и ротором, устраняет наклон ротора в начальный момент времени, позволяет снизить моменты, препятствующие вращению двигателя в момент пуска, и уменьшить установочную мощность двигателя. В результате этого снижается расход электроэнергии и энергоемкость центрифуги в целом, Наличие цапфы, анизотропного упругого элемента и закрепленного в нем вала обеспечивает возбуждение угловых движений ротора при рабочей скорости вращения двигателя. Предлагаемая фильтрующая центрифуга обладает дополнительным достоинством, обусловленным характером движения ротора. В отличие от известной, в предлагаемой фильтрующей центрифуге ротор 2, вращаясь вокруг собственной оси, совершает плоские угловые колебания, что позволяет установить параметры его движения таким образом, что выгрузка осадка осуществляется лишь в моменты крайних положений ротора 2. Тем самым увеличивается время пребывания материалов в поле центробежных сил и повышается степень обез.воживания осадка. Формула изобретения Фильтрующая центрифуга, содержащая виброизолированный корпус, ротор, вал, упругий элемент и привод, о .т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью упрощения конструкции и снижения энергоемкости, она снабжена цапфой, смонтированной на корпусе и связанной с приводом, упругий элемент выполнен анизотропным, ротор укреплен 9 1590140 10 йа валу, а последний закреплен в цап- Ж у ! и Ж Ж +Жт — — = 0 2, 28. В Ж +Ж .. I чем угловые жесткости Ж, Ж упругого т элемента относительно его горизонталь- где I — момент инерции ротора относиных осей симметрии удовлетворяют со тельно горизонтальной оси, отношению проходящей через центр масс упругого элемента. Составитель Г. Сырбу Редактор И. Шмакова Техред Л.Сердюкова Корректор М. Максимишинец Заказ 2596 Тираж 462 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,101
