On the dynamic modelling of automatic ball balancers applied to laboratory centrifuges

Abstract

This thesis deals with the balancing of unbalanced rotor systems and the resulting reduction of vibration. In particular, calculations and experiments utilizing so-called automatic balancing units with spherical balancing masses considering the use case in laboratory centrifuges are described. The specified modelling approaches for describing the fluid flow and friction effects acting on the balancing masses aim towards a more differentiated examination of the influence of geometry and manufacturing tolerances when designing automatic balancing units. For this purpose, the investigated centrifuges are modelled by multibody systems in which the kinematic and dynamic coupling of the balancing masses with the rotor system is realized by a special force element. In addition to the results on the rotor deflection, which is relevant from an operational point of view, the comparison of the transient balancing mass positions relative to the rotor in experiment and simulation is presented.

In der vorliegenden Arbeit wird der Ausgleich von Unwuchten in Rotorsystemen und der resultierenden Schwingungsreduktion behandelt. Im Speziellen wird die Verwendung von sogenannten selbsttätigen Auswuchteinheiten mit kugelförmigen Ausgleichsmassen für Laborzentrifugen beschrieben. Die hierin dargelegten Modellierungsansätze zur Beschreibung der auf die Ausgleichsmassen wirkenden Strömungs- und Reibungseinflüsse sollen einen Beitrag dazu leisten, bei der Gestaltung von selbsttätigen Auswuchteinheiten unter anderem den Einfluss von Geometrie und Fertigungstoleranzen differenzierter betrachten zu können. Hierzu werden die untersuchten Zentrifugen durch Mehrkörpersysteme abgebildet, in denen die kinematische und dynamische Kopplung der Ausgleichsmassen mit dem Rotorsystem durch ein spezielles Kraftelement realisiert wird. Neben den Ergebnissen zur betriebstechnisch äußerst relevanten Rotorauslenkung wird auch der experimentelle Abgleich der transienten Ausgleichsmassenpositionen relativ zum Rotor dargelegt.