Введение к работе
з
Актуальность темы. Повышение конкурентоспособности современных машин требует улучшения показателей работоспособности отдельных элементов. В значительной мере это относится к функционированию ротор-но-опорных узлов, для которых важной задачей является снижение общего уровня вибраций на основных и переходных режимах работы, способных вызвать потерю устойчивости ротора и нарушение работоспособности всей машины. Существуют вполне определенные области роторных машин, в которых практически безальтернативным является применение подшипников скольжения. Прежде всего, это относится к высокоскоростным насосам, детандерам и компрессорам с турбинным приводом. Несмотря на высокий уровень демпфирования в смазочных слоях подшипников скольжения, значительную сложность для обеспечения устойчивости движения ротора представляют автоколебательные и резонансные режимы работы. Наиболее эффективным методом снижения общего уровня вибраций и динамических нагрузок в опорах турбоагрегатов является применение упругодемпферных опор, которые позволяют обеспечить переход через критические частоты с приемлемым уровнем амплитуд и отстранение от режимов самовозбуждающихся колебаний. К демпферным устройствам при этом предъявляется ряд эксплуатационных требований, а именно, наличие высоких динамических качеств, достаточного ресурса, сохранение рабочих характеристик в широком диапазоне частот вращения и температур.
Ротор на упругодемпферных опорах жидкостного трения представляет собой единую динамическую систему, в которой имеют место различные виды колебательных процессов: изгибные, крутильные, вынужденные, самовозбуждающиеся, параметрические и резонансные колебания. В элементах опоры действуют силовые факторы, имеющие высокий уровень нелинейности. Для моделирования физических процессов в данной системе необходимо решать связанную задачу гидродинамики, термодинамики и теории колеба-
ний. В настоящее время в опубликованных работах приводятся решения только в гидравлической или стационарной постановке, в которых при расчете характеристик демпферов жидкостного трения к тому же не учитывается сжимаемость и турбулентная вязкость смазочного материала. Критериальный анализ показывает, что эти явления оказывают значительное влияние на упругие и демпфирующие свойства опорных узлов. Актуальность работы заключается в необходимости разработки и создания эффективных математических моделей и алгоритмов расчета упругодемпферных опор жидкостного трения, позволяющих значительно повысить ресурс и надежность машин, улучшить динамические характеристики и создать конструкции, соответствующие современному мировому уровню с использованием средств, методов и технологий, отвечающих последним мировым стандартам. Поэтому тема «Динамика роторов на упругодемпферных опорах жидкостного трения» является актуальной.
Настоящая диссертация выполнялась в рамках программ Министерства образования Российской Федерации «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (коды проектов 205.02.01.001, 205.02.01.056), 2001-2004 гг., гранта Министерства образования Российской Федерации для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов (код проекта АОЗ-3.18-164), 2003-2004 гг.
Целью диссертационной работы является повышение качества проектирования высокоскоростных роторных систем на упругодемпферных опорах жидкостного трения путем разработки математических моделей и программного обеспечения для расчета динамических характеристик роторно-опорных узлов.
Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Провести патентный поиск и сравнительный анализ конструкций упругодемпферных опор с различными видами трения.
-
Разработать математическую модель динамической системы «ротор-гидростатодинамический подшипник-демпфер жидкостного трения».
-
Разработать методику расчета полей давления и гидродинамических сил в сжимаемом слое демпфера.
-
В рамках проведения экспериментальных исследований разработать конструкцию упругодемпферной опоры жидкостного трения.
-
Разработать информационно-измерительный комплекс для сбора и обработки данных экспериментальных исследований.
-
Провести сравнительный анализ данных теоретических и экспериментальных исследований.
-
Провести комплекс вычислительных и экспериментальных исследований по анализу влияния отдельных параметров на работоспособность упругодемпферных опор.
-
Выработать рекомендации по проектированию роторных систем на основе полученных данных.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
1. Разработана математическая модель расчета динамических характе
ристик роторов в упругодемпферных опорах жидкостного трения на
основе рассмотрения колебаний двухмассового нелинейного осцил
лятора с четырьмя степенями свободы.
-
Решена задача расчета нелинейных гидродинамических сил в демпфирующих и смазочных слоях упругодемпферной опоры жидкостного трения, в которой учтены нестационарность, сжимаемость и турбулентная вязкость рабочей среды.
-
Разработаны рекомендации по проектированию и программное обеспечение для расчета динамики роторов на упругодемпферных опорах жидкостного трения, позволяющие обеспечить выбор рациональных параметров и согласование рабочих частот приводного движения с показателями устойчивости всей роторной системы.
Методы исследования. Анализ колебаний и устойчивости роторов на упругодемпферных опорах жидкостного трения выполнялся с использованием метода траекторий. При использовании данного метода проводилось совместное численное решение системы дифференциальных уравнений движения и гидродинамической теории смазки. С использованием динамических коэффициентов жесткости и демпфирования была проведена также оценка устойчивости роторной системы методом малых колебаний. Расчет полей давлений в демпфирующем и смазочном слоях осуществлялся методом конечных разностей. Для аппроксимации табличных данных различных величин применялся метод наименьших квадратов, реализованный в системе MATLAB R12. Численное решение задачи расчета динамических характеристик системы "ротор - подшипник скольжения — демпфер" проводилось с помощью разработанного автором в среде MATLAB R12 и Simulink программного обеспечения.
С целью проверки адекватности разработанных теоретических положений был проведен модельный физический эксперимент на специально разработанном стенде с использованием современной измерительной аппаратуры, системы PULSE-3560C фирмы Bruel&Kjaer и комплекса оборудования фирмы National Instruments, а также выполнен сравнительный анализ расчетов и результатов экспериментальных исследований, полученных другими авторами. Экспериментальные данные обрабатывались при помощи разработанных автором программных модулей в среде визуально ориентированного программирования Labview.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, обоснованностью используемых теоретических построений, допущений и ограничений, применением апробированных аналитических и численных методов анализа, а также подтверждается качественным и количественным согласованием теоретических результатов с экспериментальными данными, в том числе полученными другими исследо-
вателями, а также внедрением полученных результатов.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке практического инструментария проектирования в виде программного обеспечения и комплекса рекомендаций по расчету и выбору рациональных параметров упругодемпферных опор жидкостного трения. Результаты работы внедрены и используются при разработке опорных узлов высокоскоростных роторов турбоагрегатов и компрессоров-эспандеров в ООО «Конструкторское бюро химавтоматики» (г. Воронеж).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II международном научном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия», г. Орел 2003 г.; VI Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии», г. Курск, 2003 г.; Всероссийской научно-технической конференции — "Аэрокосмическая техника и высокие технологии", г. Пермь, 2002 г.; VI Научной конференции «Нелинейные колебания механических систем», г. Н. Новгород, 2002.; II Всероссийской научной конференции «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB», г. Москва, 2004.; XII международной научно-технической конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», г. Ялта, 2004 г., а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Орловского государственного технического университета, 2001—2004 гг.; За время работы автор принял участие в выполнении ряда проектов научно-технических программ Министерства образования Российской Федерации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных трудов, включая 8 статей в научных сборниках и 2 тезиса докладов, патентов и др.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложений, списка литературы из 180 наименований и содержит 157 страниц текста, 70 рисунков и 5 таблиц.
