DE4209625A1

DE4209625A1 - Bearing for laboratory centrifuge - has vibration damper which is connected to housing by viscous fluid and to bearings by elastic element.

Info

Publication number: DE4209625A1
Application number: DE19924209625
Authority: DE
Inventors: D Prof Dr Rer Nat Behr; A Dipl Ing Damm
Original assignee: Isad Ingenieurbuero fur GmbH
Current assignee: Isad Ingenieurbuero fur GmbH
Priority date: 1992-03-25
Filing date: 1992-03-25
Publication date: 1993-09-30

Abstract

The laboratory centrifuge is driven by a shaft (1) mounted in rolling bearings (2) which are mounted in a housing (6). A vibration damping mass (5) is installed between the bearings (2) and the housing (6). The damping mass (5) is connected to the housing (6) by a viscous fluid (7) and is connected to the sleeve (3) which encloses the rolling bearings (2), by an elastically deformable element (4). The bearing system is so arranged that the housing (6) encloses the viscous fluid (7) which encloses the elastic element (4) which surrounds the driving shaft (1) of the centrifuge rotor. USE/ADVANTAGE - Bearing for laboratory centrifuge for centrifuging blood or serum. The damper enables the rotor to be operated above its critical speed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorsystem, insbesondere Labor zentrifuge, z. B. zum Zentrifugieren von Blut oder Seren, mit einer umlaufenden, motorgetriebenen Antriebswelle eines Rotors, welche sich durch einen als Gehäuse ausgebildeten, drehsicher gehaltenen Stator der Zentrifuge erstreckt, auf welchem der mit der Antriebswelle verbundene Rotor der Zen trifuge gehalten ist.The invention relates to a rotor system, in particular a laboratory centrifuge, e.g. B. for centrifuging blood or sera, with a rotating, motor-driven drive shaft Rotor, which is formed by a housing rotatably held stator of the centrifuge extends which is the Zen rotor connected to the drive shaft trifuge is held.

Bei derartigen Rotorsystemen ist insbesondere an Laborzentri fugen zu denken, aber auch an Kreiselpumpen, Lüfter, Schwung räder und andere, insbesondere überkritisch betriebene Rotor systeme, die also oberhalb einer ihrer Eigenfrequenzen be trieben werden.Such rotor systems are particularly useful at laboratory centers add to think, but also about centrifugal pumps, fans, momentum wheels and other, especially supercritically operated rotor systems that are above one of their natural frequencies be driven.

Rotorsysteme der vorgenannten Art werden beispielsweise in Laborzentrifugen auf dem Gebiet der Chemie, der Biotechnologie und der Medizin dazu benutzt, Stoffe eines Gemisches vonein ander zu trennen. Ein derartiges Rotorsystem ist etwa in der DE 91 10 465 U1 beschrieben.Rotor systems of the aforementioned type are described, for example, in Laboratory centrifuges in the field of chemistry, biotechnology and used medicine to mix substances of one to separate others. Such a rotor system is approximately in the DE 91 10 465 U1 described.

Bei Zentrifugen und anderen Rotorsystemen ist es zur Erlangung befriedigender Betriebseigenschaften oftmals erforderlich, zusätzliche Dämpfungselemente vorzusehen. Sie sollen verhin dern, daß große Ausschläge des Rotors oder Motors beim Durch gang durch die Resonanz auftreten. Weiterhin soll verhindert werden, daß durch verschiedene denkbare Einflüsse Eigenschwin gungen angeregt werden, sich aufschaukeln und ggf. zur Zer störung des Gesamtsystems führen können.With centrifuges and other rotor systems it is attainable satisfactory operating characteristics are often required, provide additional damping elements. You should avoid change that large rotations of the rotor or motor when through occur through the resonance. Furthermore, should prevent become that due to various conceivable influences Eigenschwwin stimulations, swing up and, if necessary, break up malfunction of the entire system.

Problematisch ist natürlich, daß diese Dämpfer möglichst keine Schwingungen im Bereich der Rotorbetriebsdrehfrequenz dämpfen sollen. Die im Stand der Technik bekannte, hier jedoch unerwünschte Bedämpfung der Betriebsdrehfrequenzen führt dazu, daß z. B. sehr starke Lagerungskräfte über den Dämpfer auf Gehäuse bzw. Fundamentierung geleitet werden, was eine erheb liche Belastung des Gesamtsystems sowie eine Belästigung der Umgebung durch erhöhte Laufgeräusche und Vibration der gesamten Maschine darstellt.The problem, of course, is that these dampers are as possible no vibrations in the range of the rotor operating rotational frequency should dampen. The one known in the art, but here undesired damping of the operating rotational frequencies leads to that z. B. very strong storage forces on the damper Housing or foundation are routed, which is a considerable load on the overall system and a nuisance the environment due to increased running noise and vibration of the entire machine.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine konstruktive Veränderung eines betrachteten Rotorsystems vorzuschlagen, bei dem dieser Effekt weitmöglichst vermieden wird.The object of the invention is a constructive change propose a considered rotor system in which this Effect is avoided as far as possible.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen den Rotor und das Gehäuse eine Dämpfermasse eingeschaltet ist, daß die Dämpfermasse mit dem Gehäuse über eine viskose Flüssigkeit verbunden ist, und daß die Dämpfermasse und der Rotor über ein elastisches Federungselement verbunden ist.This object is achieved in that between the rotor and the housing a damper mass is turned on that the damper mass with the housing over a viscous liquid is connected, and that the damper mass and the rotor over an elastic suspension element is connected.

Mit einer derartigen Konstruktion ist eine frequenzselektive Dämpfung möglich. Dabei wird von einem physikalischen Effekt Gebrauch gemacht:With such a construction is frequency selective Damping possible. This is due to a physical effect Made use of:

Die in Frage kommenden überkritischen Rotorsysteme weisen Eigenfrequenzen auf, die betragsmäßig nur einen Teil der Rotordrehfrequenz ausmachen. Eigenfrequenzen im Bereich der Betriebsdrehfrequenz sollen aus anderen Gründen konstruktiv vermieden werden, solche darüber brauchen aus rotordynamischen Gesichtspunkten nicht verstärkt bedämpft zu werden.The supercritical rotor systems in question point Natural frequencies on the amount only a part of the Make out rotor rotation frequency. Natural frequencies in the range the operating rotational frequency should be constructive for other reasons be avoided, those above need from rotor dynamic Aspects not to be dampened.

Die Dämpfung wird nun unter Mitwirkung der Dämpfermasse und an einem oder mehreren geometrisch getrennten Bereichen des Systems angebracht, während früher die Dämpfermasse nicht berücksichtigt wurde, etwaige Zusatzelemente nur einen einzigen Dämpfungsbereich aufwiesen.The damping is now with the participation of the damper mass and in one or more geometrically separated areas of the system, while earlier the damper mass was not taken into account, any additional elements only one had only damping area.

Erfindungsgemäß wird durch die Federungselemente in erster Näherung eine elastische Kopplung zwischen Rotorsystem und Dämpfermasse hergestellt. Das Rotorsystem erhält dadurch einen weiteren Freiheitsgrad der Bewegung, was in etwa mit dem Prinzip des Schwingungstilgers zu vergleichen ist. Durch die Dämpfung, die durch das Gleiten der Dämpfermasse über oder in der viskosen Flüssigkeit erzeugt wird, entsteht für das Gesamtsystem ein Effekt, der als konstruktiv herbei geführte, frequenzselektive Dämpfung bezeichnet werden kann. Hierbei wird die Scherströmung im Spalt ausgenutzt.According to the invention, the suspension elements in the first Approximation an elastic coupling between the rotor system and Damper mass produced. This gives the rotor system another degree of freedom of movement, what about is to be compared to the principle of the vibration damper. By the damping by sliding the damper mass over or is generated in the viscous liquid for the overall system an effect that is constructive guided, frequency-selective damping can be called. The shear flow in the gap is used here.

Bei einer niedrigen Frequenz, also beispielsweise einer angeregten Eigenfrequenz oder einer Unwuchtschwingung aufgrund einer niedrigen Rotordrehzahl, schwingt die Rotormasse in gewissem Maße mit dem Rotor mit. Durch die durch die Relativ bewegung der Dämpfermasse gegenüber dem Gehäuse entstehende, relativ geringe Dämpfungskraft wird die Bewegung der Dämpfer masse ermöglicht und die Rotorschwingungen bedämpft.At a low frequency, for example one excited natural frequency or an unbalance vibration due to a low rotor speed, the rotor mass swings in to some extent with the rotor. Through the through the relative movement of the damper mass relative to the housing the movement of the dampers becomes relatively low damping force allows mass and damped the rotor vibrations.

Bei einer Bewegung des Rotors mit einer relativ hohen Fre quenz, insbesondere deutlich oberhalb der Resonanzfre quenz(en), ist der Dämpfermasse aufgrund der hohen Dämpfungs kräfte keine größere Bewegung mehr möglich. Die hohen Dämp fungskräfte entstehen durch die hohe Relativgeschwindigkeit zwischen Dämpfer und Gehäuse. Die hochfrequenten Schwingungen werden daher praktisch nicht mehr bedämpft. Lediglich die im elastischen Federungselement zwischen Rotor und Dämpfer masse befindlichen Dämpfungseigenschaften (die möglichst gering gehalten werden sollen) bewirken erhöhte Lagerkräfte auf das Gehäuse.When the rotor moves with a relatively high fre quenz, especially well above the resonance frequency quenz (en), is the damper mass due to the high damping no more movement possible. The high dampers forces arise from the high relative speed between damper and housing. The high-frequency vibrations are therefore practically no longer dampened. Only that in the elastic suspension element between the rotor and damper damping properties (the most possible should be kept low) cause increased bearing forces on the housing.

Mit einfachsten Mitteln wird auf diese Weise ein frequenz selektiver, ohne größere diagnostische Prüfung arbeitender Dämpfer für Rotorsysteme geschaffen. Die Dämpfung wird erzeugt und ergänzt durch das Einfügen einer Dämpfermasse mit defi nierter, angepaßter Masse, die sich auf oder in einem defi nierten Schmierspalt bewegen kann.With the simplest of means, a frequency is created in this way more selective, working without major diagnostic testing Damper created for rotor systems. The damping is generated and supplemented by inserting a damper mass with defi nier, adapted mass, which is on or in a defi can move the lubricated gap.

Die viskose Flüssigkeit ist frei wählbar und gewährleistet eine dynamische Funktion. The viscous liquid is freely selectable and guaranteed a dynamic function.

Die geeignete Größe der Dämpfermasse, der Federkonstanten der Rotor-Dämpfer-Kopplung usw. kann durch mathematische Überlegungen in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen (Be triebsdrehzahl, Rotorparameter, etc.) ermittelt werden. Diese Überlegungen führen mit der Ankopplung zu einer opti malen Bedämpfung des Rotors und zu einer deutlichen Verbes serung der ursprünglichen Laufeigenschaften.The appropriate size of the damper mass, the spring constant the rotor-damper coupling etc. can be done by mathematical Considerations depending on the operating conditions (Be drive speed, rotor parameters, etc.) can be determined. With the coupling, these considerations lead to an opti paint damping of the rotor and to a clear verb restoration of the original running characteristics.

Zwei konstruktiv unterschiedliche bevorzugte Ausführungsfor men ergeben sich dadurch, daß je nach Anwendungsfall entweder eine Anordnung der Dämpfungskonstruktion um den Rotor in radialer Richtung herum oder am Ende des Rotors in axialer Richtung erfolgt. Entsprechende bevorzugte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben. Two structurally different preferred embodiments men result from the fact that depending on the application either an arrangement of the damping structure around the rotor in radial direction or at the end of the rotor in the axial Direction. Corresponding preferred features are specified in the subclaims.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbei spiele in einer Zeichnung näher beschrieben.In the following the invention is based on two embodiments games described in more detail in a drawing.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel; und Fig. 1 shows a section through a first embodiment; and

Fig. 2 ein Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel. Fig. 2 shows a section through a second embodiment.

In den beiden Figuren sind Teile mit den gleichen Funktionen auch mit den gleichen Bezugszeichen versehen, auch wenn sie teilweise sich sehr deutlich voneinander unterscheiden.In the two figures, parts have the same functions also provided with the same reference numerals, even if they sometimes differ very clearly from each other.

Ein Rotor 1 (genauer: dessen Antriebswelle) dreht sich um seine Achse mit einer Winkalgeschwindigkeit, die auch im überkritischen Bereich liegen kann. Überkritisch betrie bene Rotorsysteme werden oberhalb einer Resonanzfrequenz betrieben, was insbesondere bei schnellaufenden Rotorsystemen wie Laborzentrifugen der Fall ist. Diese Laborzentrifugen werden dann im sogenannten selbstzentrierten Bereich be trieben.A rotor 1 (more precisely: its drive shaft) rotates about its axis at an angular velocity that can also be in the supercritical range. Supercritically operated rotor systems are operated above a resonance frequency, which is particularly the case with high-speed rotor systems such as laboratory centrifuges. These laboratory centrifuges are then operated in the so-called self-centered area.

Die Bewegung des Rotors 1 weist i.a. neben der Drehbewegung auch Nutations- und Präzessionsschwingungen auf, die die unterschiedlichsten Frequenzen besitzen können.The movement of the rotor 1 generally has, in addition to the rotary movement, nutation and precession vibrations which can have the most varied of frequencies.

Der Rotor 1 ist über ein Wälzlager 2 mit einem Zwischenele ment 3 gekoppelt. Dieses Element 3 umgibt den Rotor 1, dreht sich mit diesen aufgrund der Abkopplung durch das Wälzlager 2 jedoch nicht mit, nimmt aber alle übrigen Schwin gungsbewegungen auf. Es bewegt sich also mit Ausnahme der Rotation genauso wie der Rotor 1.The rotor 1 is coupled via a roller bearing 2 to an intermediate element 3 . This element 3 surrounds the rotor 1 , but does not rotate with them due to the decoupling by the roller bearing 2, but takes up all other vibration movements. With the exception of the rotation, it moves just like the rotor 1 .

Das Zwischenelement 3 ist jetzt über ein elastisches Fede rungselement 4 an eine Dämpfermasse 5 angekoppelt. Das elastische Federungselement 4 kann beispielsweise eine Stahlfeder sein oder aus Schwingmetallen oder Elastomermate rialien oder dgl. bestehen. The intermediate element 3 is now coupled via an elastic spring element 4 to a damper mass 5 . The elastic suspension element 4 can be a steel spring, for example, or can consist of vibrating metals or elastomeric materials or the like.

Während im ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die Dämp fermasse um das elastische Federungselement 4, dieses um das Zwischenelement 3 angeordnet ist, welches sich seiner seits über das Wälzlager 2 um den Rotor 1 schließt, ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die Dämpfermasse 5 unter halb des Rotors 1 vorgesehen. Dies ist bauartabhängig, da in einem Falle die Dämpfungsvorrichtung seitlich, also senkrecht zur Rotorachse Bauraum benötigt, im Ausführungs beispiel der Fig. 2 dagegen unterhalb des Rotors am Ende der Rotorachse angeordnet wird und somit die Baugröße in Achsrichtung verlängert wird.While the damper mass around the elastic suspension element 4 in the first embodiment according to FIG. 1 is arranged around the intermediate element 3 , which in turn closes over the roller bearing 2 around the rotor 1 , the damper mass 5 is in the embodiment according to FIG. 2 half of the rotor 1 provided. This depends on the type of construction, since in one case the damping device requires space laterally, that is to say perpendicularly to the rotor axis, in the embodiment example of FIG. 2, on the other hand, it is arranged below the rotor at the end of the rotor axis and the size is thus lengthened in the axial direction.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 befindet sich die Dämpfer masse 5 ebenfalls symmetrisch um die Rotorachse, die in gedachter Verlängerung durch die Dämpfermasse 5 hindurch tritt.In the embodiment of FIG. 2, the damper mass is 5 is also symmetrical about the rotor axis passing through the damping mass 5 passes in an imaginary extension.

Die Dämpfermasse 5 ist umgeben von einem starr mit dem Maschinenrahmen verbundenen Gehäuse 6. Dieses Gehäuse 6 bildet den Stator und ist starr mit dem Fundament, dem Maschinenrahmen o. ä. verbunden. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 umgibt es infolgedessen wiederum die Dämpfer masse 5, während es im Fall des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 eine topfförmige Konstruktion ist, die die Dämpfer masse 5 umschließt.The damper mass 5 is surrounded by a housing 6 rigidly connected to the machine frame. This housing 6 forms the stator and is rigidly connected to the foundation, the machine frame or the like. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, it consequently in turn surrounds the damper mass 5 , while in the case of the exemplary embodiment according to FIG. 2 it is a pot-shaped construction which encloses the damper mass 5 .

Zwischen der Dämpfermasse 5 und dem Gehäuse 6 befindet sich eine viskose Flüssigkeit 7, ein Schmierfilm. Die viskose Flüssigkeit 7 dient als Kopplungselement zwischen der Dämp fermasse 5 und dem Gehäuse 6. Sie überträgt Schwingungen, allerdings ist die Dämpfung bei der Übertragung dieser Schwingungen in etwa proportional zur Geschwindigkeit der gegeneinander bewegten Flächen, d. h., je höher die Schwin gungsfrequenz ist, desto mehr werden die Schwingungen der Dämpfermasse verhindert. Physikalischer Hintergrund ist dabei die Scherströmung im Spalt, die hierbei entsteht. A viscous liquid 7 , a lubricating film, is located between the damper mass 5 and the housing 6 . The viscous liquid 7 serves as a coupling element between the damping mass 5 and the housing 6 . It transmits vibrations, but the damping in the transmission of these vibrations is roughly proportional to the speed of the surfaces moving against each other, that is, the higher the vibration frequency, the more the vibrations of the damper mass are prevented. The physical background is the shear flow in the gap that arises here.

Zwischen der Dämpfermasse 5 und dem Gehäuse 6 ist im Fall des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 ebenfalls ein Spalt zur Aufnahme der viskosen Flüssigkeit 7 vorgesehen, der diese Kopplung übernimmt.In the case of the exemplary embodiment according to FIG. 1, a gap for receiving the viscous liquid 7 is also provided between the damper mass 5 and the housing 6 and takes over this coupling.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist degegen das Gehäuse 6 mit mehreren beispielsweise sternförmig um die Rotorachse angeordneten Stegen 9 versehen, auf denen die Dämpfermasse 5 aufliegt. Der flächenmäßig größte Teil des Bereiches zwischen dem Boden des Gehäuses 6 und der Unterseite der Dämpfermasse 5 wird daher durch einen mit der viskosen Flüssigkeit 7 gefüllten Spalt gebildet, der in diesem spe ziellen Falle scheibenförmig symmetrisch zur Rotorachse ist.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, however, the housing 6 is provided with a plurality of webs 9 , for example arranged in a star shape around the rotor axis, on which the damper mass 5 rests. The largest part of the area between the bottom of the housing 6 and the underside of the damper mass 5 is therefore formed by a gap filled with the viscous liquid 7 , which in this special case is disk-shaped symmetrical to the rotor axis.

Die Dämpfermasse 5 kann sich auf den Stegen 9 relativ zum Gehäuse 6 bewegen. Damit ist eine im wesentlichen von der Viskosität der viskosen Flüssigkeit 7 bestimmte Bewegungs möglichkeit senkrecht zur Rotorachse gegeben. Die Stege 9 können aus Stahl, Graphit oder ähnlichem bestehen und nach Art von Gleitschienen aufgebaut sein.The damper mass 5 can move on the webs 9 relative to the housing 6 . This is essentially a possibility of movement determined perpendicularly to the rotor axis, determined by the viscosity of the viscous liquid 7 . The webs 9 can consist of steel, graphite or the like and be constructed in the manner of slide rails.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform könnten diese Stege 9 auch nicht am Gehäuse 6, sondern vielmehr an der Dämpfermasse 5 befestigt sein und sich denn relativ zum Boden des Gehäuses 6 bewegen.In an embodiment not shown, these webs 9 could also not be attached to the housing 6 , but rather to the damper mass 5 and then move relative to the bottom of the housing 6 .

Entscheidend ist nicht die Art, wie der Abstand zwischen Dämpfermasse und Gehäuse erzeugt wird, sondern die Tatsache, daß sich dort ein Spalt definierter Größe befindet.It is not the way the distance between that is decisive Damper mass and housing is generated but the fact that there is a gap of a defined size.

An der offenen Seite des ringformigen Gehäuses 6 wird mit tels einer Elastomermembran 8 ein Austreten der viskosen Flüssigkeit 7 verhindert. Die Elastomermembran 8 ist keine Oberfläche der viskosen Flüssigkeit 7, sondern soll lediglich im Extremfall ein Auslaufen verhindern. On the open side of the ring-shaped housing 6 , the viscous liquid 7 is prevented from escaping by means of an elastomer membrane 8 . The elastomeric membrane 8 is not a surface of the viscous liquid 7 , but is only intended to prevent leakage in extreme cases.

Auch die Ausführungsform nach Fig. 1 schützt mittels einer Elastomermembran 8 den Ringspalt mit der viskosen Flüssigkeit 7 nach außen und verhindert ein Austreten.The embodiment according to FIG. 1 also protects the annular gap with the viscous liquid 7 to the outside by means of an elastomer membrane 8 and prevents it from escaping.

Claims

1. rotor system, especially laboratory centrifuge, e.g. B. for Zen centrifugation of blood or serum, with a rotating, motor-driven drive shaft of a rotor ( 1 ) which extends through a housing ( 6 ) designed, rotatably held stator, on which the rotor connected to the drive shaft ( 1 ) is held is characterized in that a damper mass ( 5 ) is connected between the rotor ( 1 ) and the housing ( 6 ), that the damper mass ( 5 ) is connected to the housing ( 6 ) via a viscous liquid ( 7 ), and that the damper mass ( 5 ) and the rotor ( 1 ) are connected via an elastic suspension element ( 4 ).

2. Rotor system according to claim 1, characterized in that the rotor ( 1 ) via a roller bearing ( 2 ) and an intermediate element ( 3 ) with the elastic spring element ( 4 ) is coupled to the damper mass ( 5 ).

3. Rotor system according to claim 1 or 2, characterized in that the housing ( 6 ), the viscous liquid ( 7 ), the damper mass ( 5 ), the elastic suspension element ( 4 ) and the rotor ( 1 ) enclose each other.

4. Rotor system according to claim 1 or 2, characterized in that the damper mass ( 5 ) lies in the axial extension of the rotor ( 1 ) and both are enclosed together by an intermediate element ( 3 ), which via the elastic suspension element ( 4 ) with the Damper mass ( 5 ) or coupled to the rotor ( 1 ).

5. Rotor system according to one of the preceding claims, characterized in that the damper mass ( 5 ) in the housing ( 6 ) for the purpose of generating a lubricating gap on slide rails ( 9 ) and the slide rails ( 9 ) surrounding viscous liquid ( 7 ) is mounted.