Роторный механизм центробежной установки

04 9/12, 7/08 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ РОТОРНЫЙ МЕХАНИЗМ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ УСТАНОВКИ(71) Заявитель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие НПО ЦЕНТР(72) Авторы Барков Юрий Дмитриевич Бородавко Владимир Иванович Воробьев Владимир Васильевич Стецун Сергей Николаевич(73) Патентообладатель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие НПО ЦЕНТР(57) 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 опорного узла 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 21, где- радиус несущей поверхности пяты, м- радиус несущей поверхности подпятника, м 5797 1 2 - рабочий зазор между несущими поверхностями на радиусе большего основания подпятника, м радиусы оснований поясов связаны соотношениями 1/20,40,87, 1/20,40,87,где 1 - радиус меньшего основания пяты, м 2 - радиус большего основания пяты, м 1 - радиус меньшего основания подпятника, м 2 - радиус большего основания подпятника, м причем радиусы большего основания пяты и подпятника меньше или равны радиусам несущей поверхности пяты и подпятника, соответственно 2, 2,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 22 , где е - наибольший эксплуатационный удельный дисбаланс (эксцентриситет) ротора, м- 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. 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 2 э где Н - расстояние от центра масс ротора до плоскости расположения зоны наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа, м о - осевой момент инерции ротора, кгм 2 э - экваториальный момент инерции ротора, кгм 2- масса наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа, кг- расстояние от центра масс наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа до оси ротора, м М - масса ротора, кг. 3. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что система газообеспечения содержит, по крайней мере, один вентилятор с критерием быстроходности у, меньшим 200, определяемым соотношением у 200, где С - коэффициент пропорциональности 60,776- производительность, м 3/с- частота вращения, рад/с Р - давление, Па- плотность газа, кг/м 3. 4. 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. 2(56)839622, 1960.3958753 , 1976.1414451 , 1988. 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 подшипниковые узлы, их быстрому износу и разрушению при возникновении значительной динамической неуравновешенности, что существенно 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 или 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 характеристика 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 выполнять несущие поверхности и уравновешивать ротор. А из-за несущих поверхностей в виде полусферы выполнение опорного узла является достаточно материалоемким и сложным. 3 5797 1 Задача изобретения состоит в повышении надежности и существенном 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 выше центра масс ротора, а подпятник опорного узла имеет отверстие для подвода газа к несущим поверхностям, систему газообеспечения, связанную с подпятником, и привод, обеспечивающий угловые и радиальные смещения ротора, отличием является то,что несущие поверхности пяты и подпятника выполнены в виде сферических поясов, радиусы которых связаны соотношением 21,(1) где- радиус несущей поверхности пяты, м- радиус несущей поверхности подпятника, м 2 - рабочий зазор между несущими поверхностями на радиусе большего основания подпятника, м радиусы оснований поясов связаны соотношениями 1/20,40,87 (2) и 1/20,40,87 (3),где 1 - радиус меньшего основания пяты, м 2 - радиус большего основания пяты, м 1 - радиус меньшего основания подпятника, м 2 - радиус большего основания подпятника, м причем радиусы большего основания пяты и подпятника меньше или равны радиусам несущих поверхностей пяты и подпятника соответственно 2(4) и 2(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- 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 4 5797 1- осевой момент инерции ротора, кгм 2 э - экваториальный момент инерции ротора, кгм 2- масса наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа, кг- расстояние от центра масс наибольшего эксплуатационного дисбаланса рабочего органа до оси ротора, м М - масса ротора, кг. А система газообеспечения содержит, по крайней мере, один вентилятор с критерием быстроходности у, меньшим 200, определяемым соотношением 1 / 2200,(8)( /)3 / 4 где С - коэффициент пропорциональности 60,776- производительность, м 3/с- частота вращения, рад/с Р - давление, Па- плотность газа, кг/м 3,а привод содержит механическую передачу, состоящую из трех валов, соединенных с возможностью пересечения осей, при этом один из валов выполнен телескопическим. Изобретение поясняется чертежами фиг. 1 - общий вид роторного механизма центробежной установки в исходном состоянии, фиг. 2 - схема роторного механизма с образованным газовым зазором, фиг. 3 - схема роторного механизма центробежной установки с образованным газовым зазором и с ротором, имеющим динамическую неуравновешенность и находящимся в неподвижном состоянии, фиг. 4 - схема роторного механизма центробежной установки с образованным газовым зазором и с ротором, имеющим динамическую неуравновешенность и находящимся в зарезонансном режиме при эффекте самоцентрирования (обозначения со звездочкой). 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 крайне мере, один вентилятор 5, связанный с отверстием 4 подпятника 3, и привод 6 с механической подачей 7. Рабочий орган 1 соединен с пятой 2,образуя ротор 8 с центром масс С (фиг. 2). Несущие поверхности пяты 2 и подпятника 3 выполнены в виде сферических поясов,радиусы кривизны несущих поверхностей которых связаны соотношением (1), которое отвечает оптимальной связи между радиусами несущей поверхности пяты 2 несущей поверхности подпятника 3 и рабочим зазором 2 на радиусе большего основания подпятника 3 (фиг. 2). При -2 ксферические поверхности пяты 2 и подпятника 3 образуют зазор,близкий к эквидистантному, обеспечивающий максимальное значение радиальной жесткости и демпфирования, 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, подключения дополнительного вентилятора или введения ограничителя, обусловливающего 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 аварийных отключениях системы газообеспечения. Притехнологически удобно изготавливать несущую поверхность пяты 2 по изготовленному ранее подпятнику 3, например, методом выклейки из стеклопластика или сбором из сегментов (элементов). 5 5797 1 Еслипревышает , специальных мер для создания рабочего зазора в начале работы не требуется. При, где- толщина стенок подпятника, удобно изготавливать пяту и подпятник методом штамповки взрывом по одной матрице. Соотношение (2) и (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 воздушного слоя (жесткость и демпфирование), как показали испытания, имеет место при выполнении приведенного соотношения. Уменьшение 1/2 и 1/2 до величин менее 0,4 сопровождается незначительным ростом радиальной жесткости газового слоя и радиального демпфирования при существенном возрастании энергопотребления на создание воздушной подушки. В то же время увеличение соотношений(2) и (3) более 0,87 обеспечивает незначительный выигрыш по энергопотреблению, но сопровождается существенным падением жесткости и демпфирования. Ограничения 2 и 2 обусловлены, во-первых, обеспечением рационального размещения рабочего органа ротора особенно при непрерывных технологических процессах, во-вторых, уменьшением вертикальных габаритов центробежного устройства и, втретьих, удобством монтажа и эксплуатации роторного механизма центробежной установки. Эксплуатационный дисбаланс ротора, невысокие требования к точности изготовления опорных узлов, 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, что позволяет расширить область применения центробежных установок на газостатической опоре. 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 условной скорости 100 рад/с значению ст 0,063-0,16 мм. Центробежные установки на описанной выше газостатической опоре допускают величину рабочего зазора 1-10 мм. Использование таких зазоров позволяет при тех же угловых эксплуатационных 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. При прохождении ротором резонанса, обусловленного собственной частотой газостатической опоры, имеет место эффект самоцентрирования, при котором ось вращения стремится совместиться с осью инерции ротора. Заявителем в результате расчетов и испытаний было обнаружено, что при перемещении специально вносимой дисбалансной массы параллельно оси вращения амплитуда колебаний величины газового зазора уменьшается практически до нуля, а за тем начинает возрастать. Расстояние Н (фиг. 2) от центра масс С ротора, определяющее плоскость положения груза, при котором наблюдается описанный эффект, выражается соотношением (7). Выполнение условия (7) обеспечивает прохождение главной центральной оси инерции ротора с осью подпятника, что обусловливает постоянство 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 С ротора. 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 соответст 6 5797 1 вующих элементов рабочего органа. Расположение зоны максимальной неуравновешенности в горизонтальной плоскости, отстоящей на величину Н от центра масс С 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, определяемом соотношением (8). Механическая передача 7 привода 6 состоит из трех валов, соединенных последовательно с возможностью пересечения осей, один из которых выполнен телескопическим. Такая конструкция позволяет вращение ротора 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 несущую поверхность пяты 2,что позволяет значительно увеличить создаваемый зазор 2 (по сравнению с прототипом),конкретная величина которого определяется соотношением (6). Затем включают привод 6, который посредством механической передачи 7 приводит во вращение ротор 8. Благодаря выполнению привода 6 с механической передачей 7, достигается увеличение (по сравнению с прототипом) передаваемого на ротор 8 вращательного момента. Благодаря тому, что один из валов механической передачи 7 выполнен телескопическим, ротор 8 обладает возможностью осуществлять 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 прохождения материала, 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 7 и снижение удельных энергозатрат. Кроме этого, обеспечение возможности создать рабочий зазор до 10 мм позволяет существенно снизить требования к изготовлению 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. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.