I. Проблема

    Крыльчатки осевых вентиляторов (рис. 1) разбалансируются в процессе эксплуатации из-за налипания пыли, воздействия коррозии, изнашивания под действием твердых абразивных частичек, деформаций их лопастей и т.п. Это приводит к изнашиванию подшипников, увеличению шума работы вентилятора и его вибрациям. Для устранения приобретаемого дисбаланса целесообразно уравновешивать крыльчатку непрерывно - на ходу.

1 - крыльчатка, 2- коллектор, 3- электродвигатель, 4- вал электродвигателя, 5 - кожух

Рис. 1 – Осевые вентиляторы

II. Наши предложения

   1. Предлагается использовать шаровые автобалансиры для уравновешивания крыльчаток осевых вентиляторов на ходу.  Поскольку вентилятор - это  короткий ротор, то предлагается уравновешивать его статически – одним автобалансиром в одной плоскости коррекции, максимально приближенной к плоскости крыльчатки.

    2. Место установки АБ.  В конструкции осевых вентиляторов присутствует коллектор, необходимый для улучшения аэродинамики вентилятора (рис. 1).  Его полость технологически не используется. Поэтому предлагается устанавливать в нее автобалансир (рис. 2).

1 - вал электродвигателя, 2 - коллектор, 3 - АБ

Рис. 2 – Варианты установки крыльчатки и АБ:

а – АБ насаживается на вал, а крыльчатка на АБ ; б – крыльчатка насаживается на вал, потом - АБ;

в - АБ насаживается на вал, потом - крыльчатка

    3. Вид и конструкция АБ. Предлагается использовать три типа шаровых АБ (рис. 3): обычный, с неподвижными и подвижными перегородками.

а     б     в

Рис. 3 – Шаровые АБ :

а – обычный; б – с неподвижными, в – с подвижными перегородками

    Вентилятор имеет наклонную ось вращения, что усложняет разбег шаров в обычном шаровом АБ. Поэтому предлагается, наряду с обычными АБ использовать автобалансиры с неподвижными или подвижными перегородками.  Перегородки способствуют быстрому разгону шаров.  АБ с перегородками являются нашими разработками, защищены патентами Украины [1,2,4], и могут быть использованы, по договоренности, в Ваших машинах.

    4. Разработаны алгоритмы расчетов параметров АБ. Методика расчетов состоит в следующем:

• сначала определяется максимальный дисбаланс крыльчатки после ее разбалансирования (по массе крыльчатки, классу точности балансировки, величине наибольшего ее разбалансирования в классах точности, которое может возникнуть в процессе работы и ее максимальной угловой скорости вращения);

• потом определяются параметры АБ, в том числе -  балансировочная емкость и количество шаров (по максимальному дисбалансу крыльчатки, типу АБ, радиусу беговой дорожки шаров, радиусу шаров).

III . Экспериментальная проверка

    Для изучения работоспособности разных типов шаровых АБ при уравновешивании крыльчатки вентилятора был разработан стенд (рис. 4, а) на базе промышленного вентилятора ВО 06-300.

Рис. 4 - Стенд и модели АБ:

а – стенд; б – обычный АБ; в – АБ с неподвижными, г – АБ с подвижными перегородками

    Был изготовлен обычный шаровой автобалансир (рис. 4, б).  Благодаря установке крышки с перегородками он может быть использован как АБ с неподвижными перегородками (рис. 4, в).  При установке подвижной втулки он становится АБ с подвижными перегородками (рис. 4, г).

    Работу различных типов АБ можно просмотреть на видео.  Результаты экспериментов показали, что АБ уменьшает максимальный дисбаланс крыльчатки от 6 до 20 раз, что зависит от качества изготовления и установки АБ.  Так же были получены следующие результаты.

    У обычного АБ возникают следующие трудности в работе:

• при малой вязкости смазки беговой дорожки шары не вовлекаются в движение и остаются в нижней части беговой дорожки;

• при большой вязкости - шары вовлекаются в движение, но малоподвижны относительно корпуса АБ и плохо реагируют на изменение дисбаланса, к тому же при разгоне ротора шары усиливают его колебания;

• при оптимальной вязкости - шары достаточно долго вовлекаются в движение, при разгоне усиливают колебания ротора, имеют большую тенденцию к застою, чем шары в АБ с перегородками.

    У АБ с перегородками:

• разгон шаров происходит спокойно - при любой смазке беговой дорожки;

• при малой вязкости смазки шары наиболее подвижны относительно ротора и лучше всего реагируют на текущее изменение дисбаланса;

• наиболее быстро наступает автобалансировка при использовании АБ с неподвижными перегородками, но эти АБ имеют асимметрию балансировочной емкости;

• несколько медленнее наступает автобалансировка при использовании АБ с подвижными перегородками, шары при необходимости легко передвигают перегородки, чем обеспечивается симметрия балансировочной емкости АБ.

    Нами также  предлагается:

• методики установки АБ, проверки качества установки и качества выполнения АБ, правки формы беговой дорожки АБ;
• методика статического и динамического уравновешивания крыльчатки и корпуса АБ до начала эксплуатации вентилятора;
• методики определения потребительских свойств АБ, в том числе - чувствительности к дисбалансу крыльчатки.

IV. Численное моделирование

Рис. 5 – Трехмерная модель вентилятора

    Была создана точная трехмерная модель вентилятора с АБ (рис. 5), учитывающая их размерные, силовые и массо-инерционные характеристики. С использованием модели исследуется процесс уравновешивания крыльчатки различными типами шаровых АБ при различных параметрах системы.

V. Выводы

1. Крыльчатку целесообразно уравновешивать на ходу статически – одним АБ, который необходимо устанавливать внутрь коллектора, насаживая на вал двигателя. Для уравновешивания крыльчатки можно использовать разные типы шаровых АБ,  а именно – обычные, с неподвижными и подвижными перегородками.

2. Основные параметры разных типов шаровых АБ могут быть рассчитаны по предложенным алгоритмам.
3. Перед использованием АБ необходимо проверить качество его изготовления, установки, уравновешенность корпуса, а при необходимости исправить форму беговой дорожки шаров и предварительно уравновесить корпус АБ.
4. Рекомендуется использовать АБ для уравновешения крыльчаток осевых вентиляторов, которые разбалансируются во время эксплуатации не больше как на  два класса точности по ГОСТ 22061-76 (при большей разбалансировке крыльчатки необходимо улучшать качество изготовления и установки АБ).
5. Наибольшие преимущества имеет шаровой АБ с подвижными перегородками, поскольку обеспечивает быстрый разгон шаров и сохраняет при этом симметрию балансировочной емкости АБ.

     Список работ:

1. Автобалансуючий пристрій: Пат. № 75189 Україна, МКІ G01M 1/38 /  Г. Б. Філімоніхін, В. С. Майоров (Україна); Г. Б. Філімоніхін, В. С. Майоров. - № 2002032408; Заявл. 27.03.2002; Опубл. 15.03.2006, Бюл.№3.

2. Пат. 26788 України, МПК G01M 1/38 Автобалансуючий пристрій для зрівноваження роторів із похилою віссю обертання / Філімоніхін Г.Б., Яцун В.В., Коваленко О.В.; заявник та патентовласник Кіровоградський нац. техн. університет. – №200704757; заявл. 27.04.2007; опубл. 10.10.2007, Бюл.№16.

3. Пат. 35261 України, МПК G01M 1/100 Автобалансуючий пристрій для зрівноваження роторів із похилою віссю обертання / Філімоніхін Г.Б., Яцун В.В., Коваленко О.В.; заявник та патентовласник Кіровоградський нац. техн. університет. – №200804424; заявл. 07.04.2008; опубл. 10.09.2008, Бюл.№17.

4. Г.Б.Філімоніхін, В.В.Яцун Зрівноваження пасивними автобалансирами крильчаток осьових вентиляторів // Збірник наукових праць КНТУ, 2007. Вип. №18, С. 8-13 (PDF, 314 KB).

5. Філімоніхін Г.Б., Яцун В.В.  Експериментальне дослідження зрівноваження кульовими автобалансирами крильчатки осьового вентилятора // Всеукраїнський н.-т. журнал „Вібрації у техніці та технологіях”. –2007. №2 (47), С. 26-32 (PDF, 516 KB).

6. Філімоніхін Г.Б. Числове моделювання процесу зрівноваження кульовими автобалансирами крильчатки осьового вентилятора / Філімоніхін Г.Б., Яцун В.В. // Вісник гірничого університету. – 2008. №10, с. 72–77.

7. Яцун В.В. Експериментальне дослідження ефективності зрівноваження крильчаток осьових вентиляторів пасивними автобалансирами / Яцун В.В., Філімоніхін Г.Б. // Загальнодержавний міжвідомчий н.-т. збірник “Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин”. – 2008, вип. 38, с. 100–105.

8. Філімоніхін Г.Б. Визначення головного вектора і моменту аеродинамічних сил, діючих на обертову крильчатку вентилятора / Філімоніхін Г.Б., Яцун В.В. // Збірник наукових праць КНТУ. – 2009, вип. 22, с. 364–370.

9. Яцун В.В. Математична модель зрівноваження кульовими автобалансирами крильчатки осьового вентилятора / Яцун В.В. // Вісник гірничого університету. – 2009. №9, с. 11-18.

10. Яцун В.В. Зрівноваження крильчаток осьових вентиляторів пасивними автобалансирами // Тези доповідей 9-го Міжнародного симпозіуму Українських інженерів-механіків у Львові, 20-22.05.09, с. 71-73.

11. Яцун В.В. Зрівноваження крильчаток осьових вентиляторів кульовими автобалансирами // Тези доповідей міжнар. наук.-техн. конф. “Динаміка, надійність і довговічність механічних і біомеханічних систем та елементів їхніх конструкцій” у Севастополі, 8-11.09.09, с. 235-236.

12. Яцун В.В. Працездатність пасивних автобалансирів при зрівноваженні крильчаток осьових вентиляторів: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.02 / В.В.Яцун; Нац. ун-т "Львів. політехніка". — Л., 2010. — 20 с.