Главная>История АБ

Рис. 1. Кольцевой АБУ А.Fesca (в 1872 г.):

1 – машина по осушке сахара; 2- барабан; 3 – АБУ; 4 – вал; 5 – кольцо.

Работа АБУ основана на явлении самоцентрирования, при котором на зарезонансных скоростях вращения ротора главная центральная ось ротора стремиться к оси вращения, причем тем больше, чем выше угловая скорость вращения ротора. На рис. 2, а изображен случай статического дисбаланса при отсутствии вращения (w = 0 , w - угловая скорость вращения ротора).

Рис. 2. Явление самоцентрирования и робота кольцевого АБУ

Продольная ось ротора w совпадает с осью вращения z, а главная центральная ось ротора z находится на расстоянии e от продольной оси ротора.

На закритических скоростях (w >w ₀, w ₀ – наивысшая критическая скорость ротора на упругом невесомом вале) главная центральная ось ротора z начинает стремиться к оси вращения z, причем тем больше, чем выше скорость вращения ротора. При этом вал ротора вместе с продольной осью ротора w перемещается относительно оси вращения z в легкую сторону ротора - рис. 2, б. Если на вал насадить два кольца, то они несколько отклоняться в эту сторону и будут уравновешивать ротор в плоскости коррекции u-u, как это показано на рис. 2, в, г. При этом совпадут главная центральная ось ротора, его продольная ось и ось вращения.

Два и больше таких АБУ, расположенных на разных уровнях, или один АБУ с четырьмя и большим количеством колец будут уравновешивать ротор в нескольких плоскостях коррекции, а значит будут устранять полный дисбаланс. В изобретении А.Феска заявил, что ротор (барабан) могут уравновешивать два и больше любых КГ, центры масс которых движутся по окружностям, расположенным в поперечных плоскостях ротора и имеющим центры на продольной оси ротора. Этим он решил задачу полного уравновешивания ротора и указал наиболее общее требование относительно движения КГ относительно ротора. Также в своем изобретении А.Феска предложил использовать для размещения АБУ внутреннее пространство барабана вблизи оси вращения, которое в экстракторах, сепараторах, центрифугах и т.п. технологически не используется.

Во время пуска, разгона и выбега барабана кольца в АБУ Феска вносят дополнительный дисбаланс в систему, что ухудшает эти процессы при установке АБУ в барабан. К тому же АБУ использует внутреннее пространство барабана, что для некоторых типов машин не желательно. С целью преодоления этих недостатков немецкий инженер Эмиль Розе (Emil Rothe) предложил новую конструкцию кольцевого АБУ, изображенную на рис. 3, и 01.12.1885 получил на нее патент США №331450.

Рис. 3. Кольцевой АБУ E. Rothe (в 1885 г.)

На рис. 3 изображена схема барабана с АБУ. Барабан 1, насаженный на вал 2, уравновешивается кольцами 3, 4, 5, которые отличаются размещением относительно барабана и выполнением. Кольца 3 охватывают вал 2 и подвешены на цепи 6. Это освобождает внутреннее пространство барабана и обеспечивает его спокойный разгон и выбег, поскольку на небольших скоростях кольца под действием сил тяжести стремяться к нейтральному положению, изображенному на схеме и не вносят дополнительный дисбаланс. Кольца 4, в отличие от колец 3, охватывают барабан. Кольца 5 также охватывают барабан, однако расположены на горизонтальных площадках 7, как и в АБУ А.Феска. Поэтому кольца 5 не улучшают разгон и выбег ротора.

Устройство Е.Розе работает подобно АБУ А.Феска, только кольца не занимают внутреннее пространство ротора, и вращаются на вале или барабане только при наличии дисбаланса и на больших скоростях вращения барабана – когда действие сил тяжести преодолевается.

Дополнительно Е.Розе предложил выполнять кольца полыми и заполнять их жидкостью 8 или шарами 9. Поэтому это устройство можно рассматривать как прототип жидкостных и шаровых АБУ, которые появились позже.

У кольцевых АБУ кольца расположены в разных плоскостях, что вносит дополнительный динамический дисбаланс в систему. С целью устранения этого недостатка 13 апреля в 1889 году американский инженер Жорж Херик (George M.Herrick) предложил щаровой автобалансир для уравновешивания горизонтальных роторов, в частности шпинделей станков (рис. 4.), на который получил патент США №414642 от 05.11.1889 г.

Рис. 4. Шаровой АБУ George M.Herrick (в 1889 г.)

В устройстве (рис. 4) внутри полого ротора 1, насажденного на вал 2, находятся кольцевые беговые дорожки 3 с центром на оси вала, внутри которых расположенные стальные шары 4. Шары на одной дорожке уравновешивают статический дисбаланс в плоскости, которая перпендикулярная валу и проходит через серединное сечение дорожки. Поэтому АБУ с двумя и больше дорожками уравновешивает ротор в двух и больше плоскостях коррекции и способно уравновесить полный дисбаланс ротора.

Аналогичное устройство, только с использованием “отрицательных масс”, предложил в 17.08.1918 г. американский инженер Эдгар Луиден (Edgar W.Louden) и 26.08.1919 году получил на него патент США №1314005. Он предложил заполнять дорожки тяжелой жидкостью, а шары выполнять легкими в виде поплавков. При таком выполнении шары котятся не по внешней, а по внутренней поверхности тороидальной дорожки. По имеющимся материалам это первый пример использования “отрицательных масс”. Следует отметить, что в АБУ Edgar W.Louden просматриваются элементы оптимального проектирования, а именно из объяснительных к изобретениям рисунков (не из описания конструкции АБУ) следует, что в оптимальном случае КГ на беговой дорожке должны занимать половину ее периметра.

В 1932 году американский инженер Е.Сирл (E.Thearle) предложил шаровой АБУ (рис. 5.) для уравновешивания роторов с вертикальной осью вращения.

Рис. 5. Шаровой АБУ E.Thearle (в 1932 г.)

В его устройстве внутри корпуса АБУ 1 выполнена срезанная коническая обойма 2, которая сверху переходит в беговую дорожку 3. Внутри обоймы размещены шесть стальных шаров 4 (в варианте Е.Сирла – 7 шаров). При неподвижном роторе они находятся в нижней части конической обоймы, плотно прижаты друг к другу. При выходе на беговую дорожку шары занимают до половины ее периметра. Корпус АБУ насаживается на вал ротора 5. Устройство работает так. На докритических скоростях шары под действием сил тяжести находятся в нижней части обоймы, плотно прижаты друг к другу, расположены симметрично относительно вала ротора и не вносят дополнительный дисбаланс в систему. На закритических скоростях шары под действием центробежных сил поднимаются в верхнюю часть обоймы, выходят на беговую дорожку и, перемещаясь по ней, со временем приходят в то положение, в котором уравновешивают ротор. На выбеге ротора происходит обратное.

В 1940 году Kendall Clark предложил маятниковый АБУ, предназначенный для уравновешивания вертикальной центрифуги стиральной машины (Patent 2,405,404 US). Конструкция АБУ также решает задачу устранения динамического дисбаланса, внесенного кольцевым АБУ. Это устройство состоит (рис. 6) из четырех маятников 1, расположенных в одной плоскости и насажденных на четыре оси 2, которые установлены симметрично относительно вала ротора 3. Повороты маятников ограничивают ограничители 4. АБУ работает следующим образом. При вращении ротора с закритическими скоростями вал отклоняется в легкую сторону ротора. Туда же отклоняются маятники, чем уменьшают дисбаланс системы. Спокойный разгон и выбег ротора обеспечивают ограничители. Так, при пуске ротора все маятники отклоняются в противоположную относительно направления вращения ротора сторону и выходят на ограничители.

Рис. 6. Маятниковый АБУ Kendall Clark (1940 г.), вид сверху

В таком положении они занимают симметричное положение относительно ротора и не вносят дисбаланс в систему. Аналогичное происходит и при торможении. Необходимо отметить, что в силу конструктивных особенностей такие маятниковые АБУ не могут полностью уравновесить статический дисбаланс ротора и поэтому можно считать, что их конструкция менее удачна, чем конструкция шарового АБУ.

По имеющимся материалам группа авторов В.И.Кравченко, Г.Г.Стельмах, В.А.Ромащенко, в И.И.Ситник 27.07.1981 г. впервые предложила конструкцию шарового АБУ с двухрядным расположением шаров, предназначенного для уравновешивания ротора дробилки. На это изобретение было получено авторское свидетельство СССР №1011250 от 15.04.83 г. Позже такие АБУ были названы многорядными. Их конструкция и динамика были исследованы в кандидатской диссертации В.И.Кравченко. Следует отметить, что идея многорядного расположения шаров, цилиндрических и конических роликов, и т.п. нашла после этого широкое использование в мире.

Как отмечалось выше, у кольцевых, шаровых и маятниковых АБУ на закритических скоростях вращения ротора КГ приходят в то положение, в котором уравновешивают ротор. Однако при изменении скорости, они это положение покидают, так как начинают отставать, или опережать ротор. Для того чтобы КГ отслеживали изменение скорости вращения ротора, в роботах Г.Б.Филимонихина впервые предложено на их перемещения налагать связи, позволяющие КГ попарно поворачиваться относительно ротора на равные углы в противоположные стороны (А.с. 1795319 СССР, Пат. України 21797 А). Динамика таких АБУ исследована в кандидатской диссертации Филимонихина Г.Б.

В ходе последующих усовершенствований упомянутые выше устройства были значительно улучшены, однако их конструкция при этом принципиально не изменилась. Основным признаком, который различает разные типы АБУ, работающие по схеме А.Феска, является тип КГ, который в нем используется. На рис. 7 приведены разные типы КГ, используемые в АБУ. На рис. 8 приведенные схемы, объясняющие работу разных типов АБУ.

Рис. 7. Классические КГ: а - кольцо; б - шар; в - цилиндрический ролик; г - конический ролик; д - маятник; е - сегмент.

Несмотря на разные типы КГ, принципы работы таких устройств одинаковы. Так, в описанных устройствах во время уравновешивания разных дисбалансов центры масс КГ движутся в поперечной плоскости ротора по окружностям с центром на продольной оси ротора. АБУ работают на закритических скоростях вращения ротора – скоростях, после которых происходит самоцентрирование ротора. На этих скоростях КГ приходят в то положение, в котором уравновешивают ротор (рис. 8), и дальше вращаются с ним как одно целое, пока не начнет меняться дисбаланс, или угловая скорость вращения ротора, или на ротор не начнут действовать возмущающие силы разной природы.

Обзор литературы по конструкции пассивных АБУ показывает, что описанные типы пассивных АБУ возникли первыми и наиболее распространены. Поэтому в работах Филимонихина Г.Б. предложено называть их классическими АБУ.

Рис. 8. АБУ с КГ, которые в установившихся движениях возвращаются вокруг оси вала ротора, или классические АБУ:

а - кольцевой; б - однорядный шаровой (роликовый); в - многорядный шаровой (роликовый); г - маятниковый с маятниками на вале ротора; д - маятниковый с маятниками на катках; е - маятниковый с маятниками на осях; ж - маятниковый со связями; з - сегментный; и- сегментный со связями.

Преимуществами классических АБУ является дешевизна, простота конструкции, надежность в работе. Однако есть и недостатки. Первым недостатком классических АБУ является действие КГ со значительными силами на вал (маятники или кольца), или беговую дорожку (шары), даже при отсутствии дисбаланса. Вызвано это тем, что центры масс КГ в этих устройствах всегда находятся на определенном расстоянии от продольной оси ротора. Это значительно снижает чувствительность КГ к изменению дисбаланса, и увеличивает остаточный дисбаланс ротора. Так, в шаровом АБУ кольцевая беговая дорожка деформируется, а точка контакта шара и дорожки превращается в пятно контакта. Поэтому шары в устройстве находятся в состоянии застоя и неудовлетворительно реагируют на текущее изменение дисбаланса. Это быстро усиливается с ростом угловой скорости вращения ротора, поскольку центробежные силы пропорциональны квадрату угловой скорости вращения ротора. Вторым недостатком классических АБУ является беспокойный разгон и выбег ротора, вызванный тем, что КГ в этих режимах не занимают нейтральное положение относительно ротора. Кроме того: шаровые АБУ нуждаются в большой точности изготовления и установки в ротор, так же в закалке шаров и беговой дорожки; кольцевые и маятниковые устройства вносят дополнительный динамический дисбаланс в систему; сегментные – имеют небольшую точность уравновешивания ротора, поскольку на сегменты действуют значительные силы сухого трения.

Необходимо отметить, что кроме АБУ с твердыми КГ, появились так называемые жидкостные.

У жидкостных АБУ частичное уравновешивание ротора происходит за счет жидкости, которая заполняет полости ротора. В силу конструктивных особенностей такие АБУ только уменьшают начальный дисбаланс и не могут его полностью устранить. Кроме того, устройства имеют большие габариты, поскольку удельный вес жидкости (как правило – воды) значительно меньше удельного веса материала, из которого сделаны твердые КГ (как правило – стали). Поэтому область использования таких устройств относительно узка. Следует отметить, что наилучший на сегодняшний день жидкостной АБУ – многокамерный, по имеющимся материалам впервые предложен группой авторов В.П.Нестеренко, А.П.Соколовым, В.М.Замятиным, Д.В.Лачигиным (А.С. 1128129 СССР), и исследован В.П.Нестеренко. Ими впервые показано, что многокамерный жидкостной АБУ имеет большую точность уравновешивания ротора, чем однокамерный. Их идеи получили признание в мире, и сейчас многокамерные жидкостные АБУ начинают возвращать ранее потерянные области применения.

Дополнительная литература с обзорами истории балансировочной техники

1. Thearle E. L. Automatic dynamic balancers Part 1 – Leblanc balancers // Machine Design, 1950a, Vol. 22 No 9, pp. 119-124.
2. Thearle E. L. Automatic dynamic balancers Part 2 – Ring, pendulum and ball balancers // Machine Design, 1950b, Vol. 22 No 10, pp. 103-106.
3. Thearle E. L. Automatic dynamic balancers Part 3 – Designing for complete effectiveness // Machine Design, 1950c, Vol. 22 No 11, pp. 149-153.
4. Ларри Дж. Автоматическое балансирование вращающихся масс // Сб. переводов и обзоров периодической иностранной литературы. -М.: 1955. -23, -5. - С.14-19.
5. Гусаров А.А., Сусанин В.И., Шаталов Л.Н., Грушин Б.М. Автоматическая балансировка роторов машин. -М.: Наука, 1979. -151 с.
6. Гусаров А.А. Автобалансирующие устройства прямого действия. -М.: Наука, 2002. -119 с.
7. Філімоніхін Г.Б. Пасивні автобалансири з твердими коригувальними вантажами // Вісник Технологічного університету Поділля, Хмельницький, 2002, №6 Ч.1 (47), С.173-178.

Список литературы из монографии