Коммерциализация научных разработок

Автоматическая балансировка неуравновешенных роторов

 

Данное исследование ведет Владимир Григорьевич Быков кандидат физ.-мат.наук,  доцент кафедры теоретической и прикладной механики математико-механического факультета СПбГУ

 

Основной причиной нежелательной вибрации  машин с вращающимися элементами  является наличие  дисбаланса, который возникает, когда главная ось инерции ротора не совпадает с осью вращения.  В случае твердого ротора обычная процедура балансировки состоит в добавлении или удалении корректирующих масс  в  двух плоскостях  так,  чтобы главная ось инерции  была перенаправлена.  Однако единовременная балансировка,  достаточная для ротора с фиксированным дисбалансом, не может устранить неуравновешенность ротора с переменным дисбалансом,  зависящим  от угловой скорости.  Единственной возможностью  устранения дисбаланса  в этом случае  является  использование  автобалансирующих  устройств (АБУ) различного типа.   В настоящее время все более  широкое применение в промышленной, транспортной, бытовой и прецизионной технике находят шаровые АБУ, предназначенные для полной балансировки высокооборотных роторов с переменным дисбалансом.    Несмотря на то, что первый патент  на шаровое  АБУ появился  более 120 лет назад, а первая теоретическая работа  опубликована более 80 лет назад,  интерес к этой тематике не ослабевает и сегодня. Об этом  свидетельствуют как многочисленные статьи  и патенты, так и появившиеся за последние несколько лет фирменные технологии по применению АБУ в различных отраслях машиностроения, компьютерной и бытовой технике (Рис.1).

  

                                                      

Технология Autobalancer для ручных шлифовальных машин   _{DVD плейер – LG Electronics}

 

 

                                               

Технология Liquid balance  для стиральных машин – Samsung

Технология autobalance для автомобильных колес  - Magnum

              

 

Рис.1

 

 

 

 

Шаровое АБУ представляет собой круговую обойму, в которой могут свободно двигаться металлические шары одинаковой массы.  АБУ крепится на одной оси с ротором и служит для полного устранения дисбаланса на угловых скоростях, превышающих первую критическую скорость. 

 

Основные направления исследований:

 

1.      Динамики и устойчивость  статически и динамически неуравновешенных  роторов,  оснащенных шаровыми автобалансирующими устройствами.

2.      Влияние анизотропии опор и анизотропных характеристик ротора  на процессы автобалансировки.

3.      Влияние распределенной массы ротора.

4.      Влияние количества и массы балансировочных шаров.

5.      Влияние эксцентриситета  между осями АБУ и ротора.

Роторные машины применяются в газотурбинных двигателях самолетов и кораблей, в турбинах и генераторах электрических станций, в центрифугах, компрессорах и других приборах и машинах. При больших угловых скоростях неуравновешенность ротора может нарушить нормальную работу роторной машины и даже привести к аварии.

Интересные результаты получены при изучении устойчивости цилиндрической и конической прецессий ротора, названных в соответствии с тем, какую поверхность описывает ось ротора при его вращении. Установлено, что потеря устойчивости может иметь жесткий, так и мягкий характер. В первом случае наблюдается классическое явление "срыва" амплитуды, но вид прецессии сохраняется. Во втором случае прецессия становится гиперболоидальной. Установлена граница возникновения автоколебаний. С помощью численного моделирования показано, что имеет место суперкритическая бифуркация Хопфа. При возрастании угловой скорости вращения ротора автоколебания принимают характер цилиндрической прецессии с возрастающей амплитудой. В ходе численного эксперимента обнаружены диапазоны угловых скоростей, где кроме предельных циклов существуют странные аттракторы. Исследовано влияние радиального люфта в подшипниках на конические и цилиндрические прецессии неуравновешенного ротора. Найдены значения угловой скорости ротора, соответствующие переходу от движения с контактом с опорой к движению без контакта. Показано, что явление самоцентрирования ротора имеет место и при наличии зазора. Проведено исследование устойчивости. Установлено, что достаточно большое внутреннее трение может разрушать асимптотическую устойчивость режимов самоцентрирования.

Получены уравнения движения и параметры режима самоцентрирования для гибкого ротора, закрепленного в линейных или нелинейных упругих опорах. В случае линейных опор обнаружено значительное, по сравнению с жесткими опорами, снижение критических частот. Для гибкого ротора, укрепленного в нелинейных опорах и вращающегося в среде без сопротивления, получены аналитические выражения для амплитудно- и фазово-частотной характеристик гиперболоидальной прецессии и определены участки неустойчивых режимов.