Введение к работе
Актуальность темы
Сложной проблемой современного машиностроения является создание высокооборотных машин, опорами которых служат подшипники качения. Ресурс подшипников качения с увеличением частоты вращения при жесткой установке подшипников в корпусе резко снижается, так как давление между шариками подшипника и его внешним кольцом растет пропорционально квадрату угловой скорости вращения. Согласно теории, изложенной во всех курсах теоретической механики, в которых рассматривается давление вращающегося твердого тела на опоры, для снижения давления на опоры необходимо свести к нулю статическую и моментную неуравновешенности вращающегося твердого тела. Для этого в машиностроении создана целая отрасль — балансировочная техника.
Однако развитие машиностроения за последние 15-20 лет показало несостоятельность этого пути при больших частотах вращения. Математическая модель, принятая во всех учебниках по теоретической механике при исследовании давления вращающегося твердого тела (абсолютно твердое тело и абсолютно твердые опоры), не отвечает действительностп при вращении роторов в подшипниках качения. Если несложно сконструировать ротор так, чтобы во всем диапазоне частот вращения его можно было считать абсолютно твердым (достаточно выбрать его параметры такими, чтобы первая критическая скорость располагалась выше максимальной рабочей), то нет никаких способов сделать опоры — подшипники качения, установленные жестко в корпус машины, абсолютно твердыми. Вследствие деформации реакция подшипников качения, начиная с некоторого достаточно малого значения эксцентриситета и угла, характеризующего моментную неуравновешенность, продолжает резко возрастать
при больших значениях частоты вращения, что и приводит к разрушению подшипников качения несмотря на самую тщательную балансировку. Баланспровка, эффективная при больших значениях статической и моментной иеуравновешенностеи, теряет свое качество при определенных малых значениях этих величин и больших частотах вращения.
Альтернативой при создании работоспособных высокооборотных машин на подшипниках качения стала установка упругих опор расчетной жесткости между внешним кольцом подшипника и корпусом, позволяющих преодолевать резонансные зоны и работать в области самоцентрирования, где динамические нагрузки на подшипники минимальные.
Цель и задачи исследования
Диссертационная работа посвящена исследованию динамики высокооборотных машин с целью теоретического обоснования выбора оптимальных упругих характеристик опор и инерционно-массовых параметров ротора, обеспечивающих низкий уровень вибраций.
Исходя из цели исследования, поставлены следующие задачи:
-
Выполнить расчеты динамики компрессора, вращающегося в двух опорах расчетной жесткости, каждая из которых образована двумя однорядными подшипниками качения, запрессованными в общую втулку которая посредством двух упругих элементов утановлена в корпусе.
-
Выполнить расчеты динамики вертикальной центрифуги с тремя степенями свободы с учетом силы тяжести. Сравнить различные конструкции центрифуг.
-
Выполнить расчеты динамики шнековой центрифуги, ротор и шнек которой вращаются в опорах расчетной жесткости.
-
Выполнить исследование динамики внутришлифовального шпинделя, вращающегося в двух опорах расчетной жесткости с учетом процесса резания.
-
Разработать методику и программу расчетов параметров колебаний внутришлифовального шпинделя и прогнозирование на пх основе точности и качества обработки.
Положения, выносимые на защиту:
методика определения расчетной жесткости опор высокооборотных машин, обеспечивающей отстройку рабочих частот от резонансной зоны при выполнении требований к уровню колебаний и динамическим нагрузкам на подшипники;
теоретическое обоснование выбора режимов работы, расчетной жесткости опор, обеспечивающих улучшение динамических параметров, качества шлифования и повышение ресурса опор.
Научная новизна
Рассмотрена динамика компрессора и шнековой центрифуги, отличающихся от известных компановкой опор.
Произведен расчет динамики высокооборотной вертикальной центрифуги с тремя степенями свободы, отличающийся от известного учетом силы тяжести.
Разработанный комплекс алгоритмов и программ расчета роторных узлов, каким является внутршплифовальный шпиндель, отличается от аналогичных программных средств учетом в правой части решаемых дифференциальных уравнений усилий шлифования в виде нелинейной
функции амплитуды и скорости колебаний шлифовального круга в направлении у — линии действия радиальной компоненты силы резания.
Методом математического моделирования описаны процессы на протяжении операции шлифования. Исследованы с помощью численного метода колебания, обусловленные статической и моментнои неуравновешенностью с учетом реальных технологических условий.
Теоретическое обоснование и расчет оптимальных упруго-демпферных характеристик и геометрических размеров шпинделя для высокоскоростной обработки, рекомендации режимов внутреннего шлифования с минимальным уровнем колебаний.
Практическая ценность работы
Разработанные методика и алгоритм расчета динамических характеристик высокооборотных машин позволяют назначить жесткость упругих опор, обеспечивающую самоцентрирование шпинделя, равные условия работы подшипниковых узлов, минимальные амплитуды колебаний.
Исследования позволяют на стадии проектирования шпиндельных узлов методами математического моделирования осуществить прогноз относительно достижимого качества обработки в реальных технологических условиях.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались: на ежегод ных научно-технических и научно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава ГМА имени адмирала С.О.Макарове
в 1992-1995 годах; на семинаре кафедры теоретической механики ГМА имени адмирала С.О.Макарова в 1995 году.
Структура и объем работы
