RU2805249C1 - Device for determining position of center of mass and moments of inertia of objects - Google Patents

Abstract

FIELD: engineering.

SUBSTANCE: invention is related to the field of static or dynamic balancing of machines and structures, and in particular, can be used to determine the moments of inertia and the position of the centre of mass of objects. The device for determining the position of centre of mass and moments of inertia of objects contains a frame with coaxial radial rolling bearings installed on it and a torsion bar mounting unit, a spindle with a work table, two spikes and a torsion mounting unit, a torsion bar. The frame has a spindle balance position sensor. The spindle is made in form of a shaft with cantilever spikes installed in the inner rings of the frame bearings with the possibility of axial movement. The torsion bar is made in the form of a rod, fixed with the upper end to the frame, and the lower end to the shaft. The torsion bar, shaft spikes and the frame bearings are located coaxially. Between the spindle spikes and the bearings, compression springs are installed, resting at one end in the shoulders of the spikes, and with the other end in the inner rings of the bearings, and support plates are installed between the springs and the bearing surfaces.

EFFECT: ensuring guaranteed rotation, during the measurement process, of the inner ring of the bearing and rolling elements and, accordingly, increasing the accuracy of measurements.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области статической или динамической балансировки машин и конструкций, в частности может быть использовано для определения моментов инерции и положения центра масс объектов.The invention relates to the field of static or dynamic balancing of machines and structures, in particular can be used to determine the moments of inertia and the position of the center of mass of objects.

Известно устройство для определения положения центра масс и моментов инерции объектов (Патент №2698536, РФ. Устройство для определения положения центра масс и моментов инерции объектов. Белоконов И.В., Баринова Е.В., Ивлиев А.А., Ключник В.Н., Тимбай И.А.), содержащее станину с соосными подшипниками качения, шпиндель с рабочим столом, имеющий соосные шипы для установки в подшипники станины, и торсион, закрепленный верхним концом к станине, а нижним к шпинделю. Работа устройства основана на измерении периода колебаний рабочего стола с установленным на нем объектом.A device is known for determining the position of the center of mass and moments of inertia of objects (Patent No. 2698536, Russian Federation. Device for determining the position of the center of mass and moments of inertia of objects. Belokonov I.V., Barinova E.V., Ivliev A.A., Klyuchnik V. N., Timbay I.A.), containing a frame with coaxial rolling bearings, a spindle with a work table having coaxial spikes for installation in the bearings of the frame, and a torsion bar secured at the upper end to the frame and the lower end to the spindle. The operation of the device is based on measuring the period of oscillation of a desktop with an object installed on it.

Недостатком такого устройства является то, что шипы шпинделя, установленные с возможностью осевого перемещения в подшипниках станины, могут проворачиваться во внутренних кольцах подшипников станины. Нестабильность вращения внутренних колец подшипников, а также тел качения приводит к изменению момента инерции шпинделя в процессе измерений и, соответственно, к снижению точности измерений.The disadvantage of this device is that the spindle pins, installed with the possibility of axial movement in the frame bearings, can rotate in the inner rings of the frame bearings. Instability of rotation of the inner rings of bearings, as well as rolling elements, leads to a change in the moment of inertia of the spindle during the measurement process and, accordingly, to a decrease in the measurement accuracy.

Целью изобретения является повышение точности устройства за счет обеспечения стабильного вращения внутренних колец подшипников вместе с шипами и обеспечения постоянства контакта тел качения с кольцами подшипников.The purpose of the invention is to improve the accuracy of the device by ensuring stable rotation of the inner rings of the bearings together with the spikes and ensuring constant contact of the rolling elements with the bearing rings.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для определения положения центра масс и моментов инерции объектов, содержащем станину с двумя соосными радиальными подшипниками, шпиндель, установленный в подшипниках станины посредством двух соосных шипов, входящих во внутренние кольца подшипников станины, и торсион, прикрепленный верхним концом к станине, а нижним к шпинделю, между шипами шпинделя и подшипниками станины установлены пружины сжатия, опирающиеся одним концом в заплечики шипов, а другим во внутренние кольца подшипников.This goal is achieved by the fact that in a device for determining the position of the center of mass and moments of inertia of objects, containing a frame with two coaxial radial bearings, a spindle installed in the frame bearings by means of two coaxial spikes included in the inner rings of the frame bearings, and a torsion bar attached at the upper end to the frame, and at the bottom to the spindle, between the spindle spikes and the bearings of the frame, compression springs are installed, resting with one end on the shoulders of the spikes, and the other on the inner rings of the bearings.

Устройство показано на фиг. 1. На фиг. 2 показан местный вид А с фиг. 1.The device is shown in Fig. 1. In FIG. 2 shows a detail view A of FIG. 1.

На станине 1 установлены верхний 2 и нижний 3 подшипники качения, расположенные соосно. Под подшипником 2 установлен узел 4 крепления торсиона 5. На шпинделе 6 установлены верхний 7 и нижний 8 шипы для установки шпинделя 6 в подшипники 2 и 3 станины 1. В верхней части шип 8 имеет узел крепления 9 торсиона 5. В верхней части шпиндель 6 имеет рабочий стол для установки объекта. Станина 1 имеет датчик 10 положения равновесия шпинделя 6.On the frame 1, upper 2 and lower 3 rolling bearings are installed, located coaxially. A torsion bar 5 fastening unit 4 is installed under the bearing 2. The upper 7 and lower 8 tenons are installed on the spindle 6 for installing the spindle 6 into bearings 2 and 3 of the frame 1. In the upper part, the tenon 8 has a torsion bar 5 fastening unit 9. In the upper part, the spindle 6 has desktop for installing the object. The frame 1 has a sensor 10 for the balance position of the spindle 6.

Между шипом 7 и подшипником 2, а также, между шипом 8 и подшипником 3 установлены пружины 11. Пружины 11 опираются на заплечики шипов 7 и 8 посредством опорных тарелок 12, а на внутренние кольца подшипников 2 и 3 - посредством тарелок 13. Вращающий момент от шипов 7 и 8 передается за счет сил трения через пружины и тарелки на внутренние кольца подшипников 2 и 3. Осевая сила, действующая на внутренние кольца подшипников 2 и 3, составляющая величину порядка нескольких процентов веса шпинделя 6, обеспечивает постоянство контакта тел качения с кольцами подшипников и момент трения между наружными кольцами подшипников и станиной 1.Springs 11 are installed between the tenon 7 and bearing 2, as well as between the tenon 8 and bearing 3. The springs 11 rest on the shoulders of the tenons 7 and 8 by means of support plates 12, and on the inner rings of bearings 2 and 3 by means of plates 13. The torque from studs 7 and 8 are transmitted due to frictional forces through springs and plates to the inner rings of bearings 2 and 3. The axial force acting on the inner rings of bearings 2 and 3, amounting to a value of the order of several percent of the weight of the spindle 6, ensures constant contact of the rolling elements with the bearing rings and the friction moment between the outer rings of the bearings and the frame 1.

Таким образом, пружины, опорные тарелки и внутренние кольца всегда вращаются с угловой скоростью шпинделя. Наружные кольца подшипников всегда неподвижны. Вращение тел качения подшипников вокруг оси шпинделя и собственных осей, в силу постоянства их контакта с кольцами подшипников, стабильно и учитывается при определении момента инерции пустого шпинделя.Thus, the springs, support plates and inner rings always rotate at the angular speed of the spindle. The outer rings of the bearings are always stationary. The rotation of the bearing rolling elements around the spindle axis and their own axes, due to the constancy of their contact with the bearing rings, is stable and is taken into account when determining the moment of inertia of the empty spindle.

Вал 6 висит на торсионе 5, а подшипники 2 и 3, задающие ось вращения вала 6, воспринимают радиальную нагрузку, обусловленную несовпадением общего центра масс шпинделя 6, рабочего стола и объекта с осью вращения шпинделя 6, и небольшую осевую нагрузку от пружин 11.Shaft 6 hangs on torsion bar 5, and bearings 2 and 3, which define the axis of rotation of shaft 6, perceive a radial load caused by the mismatch of the common center of mass of the spindle 6, the work table and the object with the axis of rotation of the spindle 6, and a small axial load from the springs 11.

Поскольку радиальная нагрузка на подшипники 2 и 3 влияет на момент сопротивления вращению вала 6, для ее уменьшения расстояние (Н) между подшипниками 2 и 3 задано существенно большим отклонения (R) общего центра масс от оси вращения вала 6.Since the radial load on bearings 2 and 3 affects the moment of resistance to rotation of shaft 6, to reduce it, the distance (N) between bearings 2 and 3 is set to be significantly larger than the deviation (R) of the general center of mass from the axis of rotation of shaft 6.

С целью уменьшения сопротивления вращению в устройстве используются коррозионно-стойкие подшипники без смазки.In order to reduce rotational resistance, the device uses corrosion-resistant bearings without lubrication.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Шпиндель 6 отклоняется от положения равновесия и отпускается. Под воздействием торсиона 5 шпиндель 6 с рабочим столом и объектом совершает крутильные колебания. Момент прохождения шпинделя 6 через положение равновесия фиксируется датчиком.Spindle 6 deviates from the equilibrium position and is released. Under the influence of the torsion bar 5, the spindle 6 with the work table and the object undergoes torsional vibrations. The moment the spindle 6 passes through the equilibrium position is recorded by a sensor.

Через период колебаний и крутильную жесткость вычисляется момент инерции колебательной системы. При смещении объекта по осям координат рабочего стола момент инерции колебательной системы изменяется и, соответственно, изменится период колебаний. Измерением периода колебаний шпинделя для различных положений объекта на рабочем столе и его различных ориентаций вычисляются координаты центра масс объекта, а затем и моменты инерции (с использованием теоремы Штейнера). Крутильная жесткость колебательной системы определяется путем проведения измерений для объекта (эталона) с известной массой и координатами центра масс, например, диска.Using the oscillation period and torsional stiffness, the moment of inertia of the oscillating system is calculated. When an object moves along the coordinate axes of the desktop, the moment of inertia of the oscillatory system changes and, accordingly, the period of oscillation will change. By measuring the spindle oscillation period for different positions of the object on the work table and its different orientations, the coordinates of the object's center of mass and then the moments of inertia are calculated (using Steiner's theorem). The torsional stiffness of an oscillatory system is determined by taking measurements for an object (standard) with a known mass and coordinates of the center of mass, for example, a disk.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность устройства для определения положения центра масс и моментов инерции объектов.The proposed technical solution makes it possible to increase the accuracy of the device for determining the position of the center of mass and moments of inertia of objects.

Claims (1)

Устройство для определения положения центра масс и моментов инерции объектов, содержащее торсион, станину с установленными на ней соосными радиальными подшипниками качения и узлом крепления торсиона и шпиндель с рабочим столом, двумя шипами и узлом крепления торсиона, установленный на станине таким образом, что шипы шпинделя установлены во внутренних кольцах подшипников станины с возможностью осевого перемещения, отличающееся тем, что станина имеет датчик положения равновесия шпинделя, между шипами шпинделя и подшипниками станины установлены пружины сжатия, опирающиеся одним концом в заплечики шипов, а другим - во внутренние кольца подшипников, а между пружинами и опорными поверхностями установлены опорные тарелки.A device for determining the position of the center of mass and moments of inertia of objects, containing a torsion bar, a frame with coaxial radial rolling bearings installed on it and a torsion bar mounting unit, and a spindle with a work table, two spikes and a torsion bar mounting unit installed on the frame in such a way that the spindle spikes are installed in the inner rings of the frame bearings with the possibility of axial movement, characterized in that the frame has a spindle balance position sensor, compression springs are installed between the spindle spikes and the frame bearings, resting with one end on the shoulders of the spikes, and the other on the inner rings of the bearings, and between the springs and support plates are installed on the supporting surfaces.

Images