Automatisches Auswuchten von Zentrifugen mit Hilfe von Flüssigkeiten und Feststoffen

Automatische Kugelauswuchtungen (ABB) können an rotierenden Maschinen eingesetzt werden, um die effektive Unwuchterregung und die daraus resultierenden Verformungen zu reduzieren. Der passiv arbeitende Mechanismus kommt ohne aktive Komponenten wie Sensoren, Steuergeräte und Aktoren aus. In einer ABB sind mehrere Kugeln in einem zylindrischen Hohlraum eingeschlossen und können auf einer kreisförmigen Bahn, die zentrisch zur Drehachse des bestückten Rotors angeordnet ist, frei kreisen. Das Funktionsprinzip sieht vor, dass die Drehzahl die erste kritische Frequenz überschreiten muss, damit sich die Kugeln günstig positionieren und die primäre Unwucht ausgleichen können. Während der Einschwingphase, bevor der Rotor die endgültige Betriebsdrehzahl erreicht und die Kugeln ihre endgültige stationäre Ruheposition relativ zum Rotorsystem einnehmen, ist die Bewegung der Kugeln stark von der umgebenden Flüssigkeit im Hohlraum abhängig. Von gasförmigen Umgebungen bis hin zu hochviskosen Ölen ist ein breiter Spielraum für die Auslegung der ABB vorhanden.
In der aktuellen Forschung wird ein kohlefaserverstärkter Kunststoffrotor für medizinische Zentrifugen mit einem ABB ausgestattet und der ideale Bereich für die Dichte und Viskosität des Fluids im Balancer experimentell sowie mittels Mehrkörpersimulationen unter Einbeziehung der Fluid-Struktur-Interaktion im ABB untersucht.

Automatic balancing of centrifuges by means of fluids and solids

Automatic ball balancers (ABB) can be applied to rotating machinery in order to reduce the effective unbalance excitation and resulting deflections. The passive working mechanism does not necessitate active components such as sensors, control units and actuators. In an ABB several balls are enclosed in a cylindrical cavity and can orbit freely on a circular track positioned centrically to the axis of rotation of the equipped rotor. As inherent to the functional principle, the rotating speed has to exceed the first critical frequency for the balls to be positioned beneficially and counterbalancing the primary unbalance. During the transient phase prior to the rotor reaching the final operating speed and the balls adopting their final stationary resting position relative to the rotor system, the movement of the balls is strongly dependent on the environing fluid in the cavity. From gaseous environments to highly viscous oils a wide scope is available to design the ABB.
In current research a carbon fiber reinforced plastic rotor for medical centrifuges is equipped with an ABB and the ideal range for the density and viscosity of the fluid in the balancer is explored experimentally as well as by means of multi-body simulations incorporating the fluid structure interaction in the ABB.