Способ крепления и уравновешивания наклонного к плоскости вращения диска
Владельцы патента RU 2288455:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) (RU)
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для уравновешивания жестких роторов, содержащих, в частности, наклонные к плоскости вращения диски. Способ включает элементы установки и фиксации диска на шпинделе станка с помощью уравновешивающего элемента из пары косых шайб с прямыми наружными торцами, и прилегающих к наклонному диску с противоположных сторон. Значения геометрических параметров уравновешивающего элемента определяются расчетным методом. Каждая косая шайба уравновешивающего элемента снабжена внутренним кольцевым выступом, имеющим наружную цилиндрическую поверхность, ось которой наклонена к оси шпинделя под углом, равным углу наклона диска к плоскости вращения. Наклонный диск своим посадочным отверстием, ось которого перпендикулярна его торцевым плоскостям, установлен и закреплен на наружных цилиндрических поверхностях обоих кольцевых выступов косых шайб, образуя тем самым заданный угол наклона к плоскости вращения. Технический результат заключается в повышении эффективности и удешевлении крепления и уравновешивания наклонных к плоскости вращения дисков. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к средствам и способам уравновешивания жестких роторов на стадии проектирования, содержащих наклонные к плоскости вращения диски, и может быть использовано при разработке конструкций динамически уравновешенных роторов, структурно-неоднородных по материалу, в частности шлифовальных блоков с наклонными к плоскости вращения абразивными кругами.
Известны способы уравновешивания структурно-неоднородного жесткого ротора с наклонным диском [1, 2], в которых моментная неуравновешенность наклонного диска ротора компенсируется моментной неуравновешенностью уравновешивающего элемента, состоящего из двух косых шайб, прилегающих к диску с противоположных сторон. Эти способы различаются тем, что в способе [1] наружные торцы косых шайб выполнены прямыми, то есть перпендикулярными оси вращения, а в способе [2] наружные торцы косых шайб выполнены косыми и расположены в параллельных плоскостях, отклоненных от плоскости, перпендикулярной оси вращения, на угол, противоположный углу наклона торцевых плоскостей моментно-неуравновешенного наклонного диска. Способ [2] позволяет снизить материалоемкость конструкции ротора по сравнению со способом [1]. Однако используемые в этом способе расчетно-аналитические зависимости между параметрами функциональных элементов ротора более сложны, чем в способе [1].
Характерной особенностью способов уравновешивания [1] и [2], с точки зрения конструкции жесткого ротора, является то, что базирование наклонного диска и уравновешивающего элемента (пары косых шайб) осуществляется на общей цилиндрической поверхности несущей втулки шпинделя станка. Эта конструктивная особенность приводит к необходимости выполнять посадочное отверстие наклонного диска, в частности абразивного круга, соосным оси шпинделя станка, вследствие чего ось посадочного отверстия диска не перпендикулярна его торцевым плоскостям. Получение такого отверстия в абразивном круге может быть достигнуто либо в результате дополнительной технологической операции, с использованием стандартного круга прямой формы, либо в результате изготовления кругов специальной формы, например, путем отливки, а это требует дополнительных материальных затрат. Кроме того, способ крепления абразивных кругов, используемый в [1] и [2], в основном предназначен для кругов относительно небольшого наружного диаметра, используемых, в частности, при внутреннем шлифовании.
В случае абразивных кругов прямой формы и большого диаметра крепление последних на шпинделе станка осуществляется с использованием переходных фланцев [3]. Однако применение этого способа крепления в случае моментно-неуравновешенного абразивного круга непосредственно невозможно, поскольку в этом случае параметры элементов узла крепления не могут выбираться только по конструктивно-технологическим соображениям, а должны подчиняться определенным расчетно-аналитическим зависимостям, вытекающим из условий полной динамической уравновешенности всего шлифовального блока.
Наиболее близким к предлагаемому является способ уравновешивания структурно-неоднородного жесткого ротора с наклонным диском [1].
Однако этот способ обладает отмеченными выше недостатками, связанными со способом крепления наклонного диска, что не дает возможности полностью применить используемые в [1] расчетно-аналитические зависимости между параметрами ротора к узлам крепления дисков большого диаметра.
Заявляемое изобретение решает задачу расширения возможностей, повышения эффективности и удешевления способа крепления и уравновешивания наклонного к плоскости вращения диска, являющегося элементом структурно-неоднородного жесткого ротора. Это достигается тем, что каждая косая шайба уравновешивающего элемента снабжена внутренним кольцевым выступом, имеющим наружную цилиндрическую поверхность, ось которой наклонена к оси шпинделя под углом, равным углу наклона диска к плоскости вращения, а наклонный диск своим посадочным отверстием, ось которого перпендикулярна его торцевым плоскостям, установлен и закреплен на наружных цилиндрических поверхностях обоих кольцевых выступов косых шайб, образуя тем самым заданный угол наклона к плоскости вращения.
Причем между внутренними торцевыми плоскостями кольцевых выступов косых шайб образован гарантированный технологический зазор, а компенсация моментной неуравновешенности наклонного диска обеспечивается за счет выбора значений геометрических параметров уравновешивающего элемента и технологического зазора между внутренними торцевыми плоскостями кольцевых выступов косых шайб и достигается при условии:
где
- соответственно, центробежные моменты инерции наклонного диска и уравновешивающего элемента относительно центральных взаимно перпендикулярных осей, из которых ось z - есть ось вращения,
r, r1 - радиусы наружных поверхностей вращения наклонного диска и уравновешивающего элемента, соответственно,
β - угол отклонения торцевых плоскостей наклонного диска от плоскости, перпендикулярной оси вращения,
h - толщина наклонного диска,
r2 - радиус посадочного отверстия наклонного диска,
r0 - радиус внутренней цилиндрической поверхности уравновешивающего элемента,
Δ - технологический зазор между внутренними торцевыми плоскостями косых шайб уравновешивающего элемента,
ρ1, ρ - соответственно, плотности материалов наклонного диска и уравновешивающего элемента.
При этом выбор параметров уравновешивающего элемента подчиняют дополнительному условию преобразования эллипсоида инерции в форму эллипсоида вращения:
где
- осевые моменты инерции наклонного диска,
- осевые моменты инерции уравновешивающего элемента,
s1 - его осевой размер (геометрический параметр).
Причем при выборе значений геометрических параметров уравновешивающего элемента пользуются зависимостями:
где μ=ρ1/ρ - отношение плотностей материалов наклонного диска и уравновешивающего элемента.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена схема конструкции ротора, в которой реализован предлагаемый способ крепления и уравновешивания наклонного к плоскости вращения диска, включающая наклонный диск 1, уравновешивающий элемент из двух косых шайб 2 и 3, совместно посаженных на базовую втулку 4 шпинделя станка 5 и стянутых между собой резьбовым соединением. При этом плоскости А и Б косых шайб, имеющих идентичную форму, параллельны торцевым плоскостям диска 1, а поверхность В перпендикулярна этим плоскостям, и ее ось наклонена к оси шпинделя станка под углом β. Наружная поверхность Г соосна с осью вращения, а торцевая плоскость Д перпендикулярна этой оси.
На фиг.2 - схема к расчету геометрических параметров взаимно уравновешивающих элементов I (наклонный диск) и II (уравновешивающий элемент из двух косых шайб).
На фиг.3 - схема цилиндрической заготовки для образования косых шайб уравновешивающего элемента.
Способ крепления и уравновешивания наклонного диска осуществляют на этапе проектирования ротора в следующей последовательности. По технологическим соображениям выбирают геометрические параметры абразивного круга 1 (фиг.1), к которым относят: r, r2, h, а также угол наклона β. Конструктивно принимают значение параметра r0 (фиг.2). Затем определяют расчетным путем значения параметров r1 и Δ, пользуясь зависимостями (7) и (8), которые являются следствиями условий (1) и (4) при учете (2), (3), (5), (6). Вначале находят значение параметра Δ, решив кубическое уравнение (7), а затем, пользуясь (8), определяют значение r1.
Замечательным свойством конструкции, реализующей предложенный способ крепления и уравновешивания наклонного диска, является независимость значений r1 и Δ от параметров s1 и β, которые могут выбираться конструктивно при совместном выполнении двух условий: (1) и (4).
Изготовление основных элементов узла крепления наклонного диска, которыми являются две косые шайбы (фиг.1, 2), осуществляют, как показано на фиг.3, путем протачивания кольцевой канавки шириной h, для установки диска 1 (фиг.1), и последующего разрезания цилиндра с образованием прорези шириной Δ (фиг.3) при вращении его относительно повернутой оси z1.
Последовательность расчета значений параметров узла крепления наклонного диска поясним примером.
Пусть требуется определить значения геометрических параметров динамически уравновешенного узла крепления наклонного диска при следующих исходных данных (фиг.2):
r=22,5 см, r2=101,5 см, h=5 см, r0=6,35 см, β=2°, μ=0,2.
Уравнение (7) принимает вид:
Его корни находим, пользуясь известной методикой [4].
Из трех корней этого уравнения реальным является следующий: Δ/h=7,9976417·10-1, откуда Δ≈4 см.
Тогда из (8) находим: r1≈15,1 см.
Параметр s1 принимаем конструктивно: s1≈9,0 см.
Если найденные значения потребуют корректировки, то следует повторить расчет при других значениях исходных параметров.
Предложенный способ крепления и уравновешивания моментно-неуравновешенного наклонного диска на стадии проектирования конструкции достаточно прост, легко реализуется и будет весьма полезен в практике машиностроения.
Источники информации
1. Патент RU 2153154 С1, кл. G 01 М 1/38, 20.07.2000. Бюл. №20.
2. Патент RU 2183824 С1, кл. G 01 М 1/32, 20.06.2002. Бюл. №17.
3. Обработка металлов резанием: Справочник технолога / А.А.Панов, В.В.Аникин, Н.Г.Бойм и др. Под общ. ред. А.А.Панова. - М.: Машиностроение, 1988. - С.378-403.
4. Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) / Перевод со второго американского переработанного издания И.Г.Арамановича, А.М.Березмана, И.А.Вайнштейна, Л.З.Румшинского, Л.Я.Цлафа. Под общ. ред. И.Г.Арамановича. - М.: Наука, 1973. - С.43-44.
1. Способ крепления и уравновешивания наклонного к плоскости вращения диска, включающий элементы установки и фиксации диска на шпинделе станка, уравновешивающий элемент из пары косых шайб с прямыми наружными торцами, прилегающих к наклонному диску с противоположных сторон, и определение значений геометрических параметров уравновешивающего элемента расчетным методом, отличающийся тем, что каждая косая шайба уравновешивающего элемента снабжена внутренним кольцевым выступом, имеющим наружную цилиндрическую поверхность, ось которой наклонена к оси шпинделя под углом, равным углу наклона диска к плоскости вращения, а наклонный диск своим посадочным отверстием, ось которого перпендикулярна его торцевым плоскостям, установлен и закреплен на наружных цилиндрических поверхностях обоих кольцевых выступов косых шайб, образуя тем самым заданный угол наклона к плоскости вращения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между внутренними торцевыми плоскостями кольцевых выступов косых шайб образован гарантированный технологический зазор, а компенсация моментной неуравновешенности наклонного диска обеспечивается за счет выбора значений геометрических параметров уравновешивающего элемента и технологического зазора между внутренними торцевыми плоскостями кольцевых выступов косых шайб и достигается при условии:
соответственно, центробежные моменты инерции наклонного диска и уравновешивающего элемента относительно центральных взаимно перпендикулярных осей, из которых ось z - есть ось вращения,
r, r1 - радиусы наружных поверхностей вращения наклонного диска и уравновешивающего элемента, соответственно,
β - угол отклонения торцевых плоскостей наклонного диска от плоскости, перпендикулярной оси вращения,
h - толщина наклонного диска,
r2 - радиус посадочного отверстия наклонного диска,
r0 - радиус внутренней цилиндрической поверхности уравновешивающего элемента,
Δ - технологический зазор между внутренними торцевыми плоскостями косых шайб уравновешивающего элемента,
ρ1, ρ - соответственно, плотности материалов наклонного диска и уравновешивающего элемента.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что выбор параметров уравновешивающего элемента подчиняют дополнительному условию преобразования эллипсоида инерции в форму эллипсоида вращения:
где
- осевые моменты инерции наклонного диска,
- осевые моменты инерции уравновешивающего элемента,
s1 - его осевой размер (геометрический параметр).
4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что при выборе значений геометрических параметров уравновешивающего элемента пользуются зависимостями:
где μ=ρ1/ρ - отношение плотностей материалов наклонного диска и уравновешивающего элемента.
