Введение к работе
Актуальность работы. За последние 30 лет в шахтном
вентиляторостроении произошл ряд существенных изменений. Были разработаны новые аэродинамические схемы, обеспечивающие создание высоконагруженных осевых вентиляторов главного проветривания (ВГП), и созданы одноступенчатые машины с аэродинамическими параметрами, доступными ранее только в двухступенчатом исполнении. В основном это достигнуто за счет увеличения скорости вращения рабочих колес (РК). Например, если у вентиляторов серии ВОД окружная скорость по концам лопаток была 78 м/с, то у современных машин она достигает 150-160 м/с. Значительное повышение скоростей увеличивает нагрузки на узлы машин и предъявляет повышенные требования к их прочности и жесткости, которые можно реализовать лишь путем разработки и применения новых методик расчта конструкций РК, основанных на применении современных вычислительных средств. Это обеспечит более точный расчет элементов конструкции РК и расширит возможности по их рационализации с целью уменьшения металлоемкости и повышения прочности.
В настоящее время наблюдается тенденция к широкому использованию
в вентиляторах частотно регулируемых приводов. В этом случае скорость
вращения ротора может изменяться в широком диапазоне, а
пропорционально ей меняются и частоты вынуждающих сил. Следовательно, существует вероятность попадания режимов работы вентилятора в зону критических частот вращения. Этого можно избежать применением более совершенных методик расчета колебаний валов ротора, учитывающих гироскопический момент вращающегося ротора, податливость его опор, а также вынуждающие силы с частотами, кратными скорости вращения вентилятора.
В метрополитенах и других транспортных сооружениях, в следствие поршневого действия поездов, возникают возмущения расхода и давления воздушного потока, которые действуют на ротор ВГП и вызывают в нем дополнительные динамические нагрузки. Эти факторы тоже следует учитывать в расчетах.
Таким образом, разработка методики расчета конструкций роторов высоконагруженных осевых вентиляторов главного проветривания, работающих в условиях динамических нагрузок, изменяющихся в широком диапазоне частот, является актуальной задачей.
Целью работы является разработка методики расчета и обоснование конструктивных параметров роторов регулируемых осевых вентиляторов главного проветривания шахт и метрополитенов.
Идея работы состоит в использовании дискретных моделей для получения аналитических зависимостей частот собственных колебаний ротора ВГП от его упругих и инерционных параметров при обосновании редукции математических моделей для расчета критических частот вращения
вентиляторов, а также в применении частотного анализа возмущений расхода воздушного потока для определения нагрузок на рабочее колесо вентилятора.
Задачи исследования:
исследовать влияние податливости подшипниковых опор, гироскопического момента, скорости вращения и конструктивной схемы вентилятора на параметры изгибных и крутильных колебаний вала ротора и обосновать методику расчета критических частот вращения ВГП;
- исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) корпуса
рабочего колеса вентилятора в зависимости от его конструктивных и
кинематических параметров;
- выполнить анализ нагрузок, действующих на ротор ВГП, при
возмущениях давления и расхода воздушного потока от поршневого
действия поездов в тоннеле метрополитена.
Методы исследования включают анализ литературы по теме, натурные эксперименты в условиях действующего метрополитена, аналитические расчеты и вычислительные эксперименты, выполненные методом конечных элементов.
Основные научные положения, защищаемые автором:
при расчете критических частот вращения вентилятора необходимо учитывать жесткости опор вала, инерцию поворота рабочего колеса и гироскопический момент если произведение отношения расстояния от передней опоры до рабочего колеса к расстоянию от рабочего колеса до задней опоры на кубический корень из отношения момента инерции рабочего колеса по оси, перпендикулярной оси вращения, к произведению его массы на квадрат длины вала вентилятора меньше 0,69;
массу трансмиссионного вала можно не учитывать в расчете частот изгибных колебаний вала вентилятора одноступенчатого осевого ВГП если
е отношение к массе рабочего колеса не превышает , где / -
/2 (/ + 32,3)
отношение расстояния от муфты до передней опоры вала вентилятора к расстоянию от передней опоры до рабочего колеса;
- конструкция рабочего колеса, в которой нормальную силу инерции от
рабочих лопаток воспринимают коренные диски, позволяет снизить массу
колеса в 1,5 - 1,7 раза и момент инерции в 2,4 - 2,6 раза по сравнению с
типовой конструкцией, в которой нормальную силу воспринимает втулка РК.
- момент на рабочем колесе от неравномерности расхода воздуха,
возникающей от поршневого действия поездов, характеризуется отношением
частоты движения поездов к частоте гармоники расхода воздуха
максимальной амплитуды, равным 0,44 - 0,6.
Достоверность научных результатов обеспечивается использованием методов теории упругости и сопротивления материалов, практикой применения сертифицированных пакетов программ для решения задач статической прочности и динамики конструкций, а также
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и численных расчетов с результатами натурных измерений при эксплуатации ВГП. Научная новизна заключается в том, что:
- доказано, что при учете гироскопического момента в расчетах
критических частот ротора осевого одноступенчатого вентилятора главного
проветривания с регулируемой частотой вращения, необходимо учитывать
жесткости опор вала вентилятора, и определены пределы практической
применимости расчетных схем для определения критических частот
вращения вентилятора, учитывающих влияние гироскопического момента и
инерцию поворота рабочего колеса;
- установлены соотношения длин валов и масс ротора вентилятора, при
которых трансмиссионный вал практически не влияет на величину частоты
собственных изгибных колебаний вала вентилятора главного проветривания;
- обоснован способ снижения массы рабочего колеса осевого
вентилятора главного проветривания перераспределением инерционной
нагрузки от лопаток на коренные диски;
- разработана методика определения нагрузки, действующей на рабочее
колесо ВГП со стороны воздушного потока, учитывающая поршневое
действие двигающихся поездов.
Личный вклад автора состоит:
в анализе результатов натурного эксперимента по определению частот и амплитуд расхода воздуха, проходящего через вентилятор при движении поездов в тоннеле метрополитена;
в проведении исследований по определению зависимости НДС корпуса рабочего колеса от толщин его дисков и втулки;
- в обосновании моделей для расчтов параметров колебаний ротора
вентилятора;
- в разработке методики расчета роторов вентиляторов главного
проветривания.
Практическая ценность. Разработана методика проектирования одноступенчатых роторов осевых вентиляторов главного проветривания с частотно-регулируемым приводом
Реализация работы. Результаты исследований использовались ООО Новосибирский электромеханический завод «Тайра» при разработке конструкторской документации тоннельных вентиляторов ВОМ-24 для метрополитенов и ОАО Артемовский машиностроительный завод «ВЕНТПРОМ» при разработке рекомендаций по снижению уровня вибраций ротора установки АВМ-36 и расчете критических частот роторов осевых вентиляторов главного проветривания шахт и рудников.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались
на всероссийской научно-технической конференции «Наука.
Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2012, 2013, 2014); XII Международном форуме «Интерэкспо Гео-Сибирь 2016», Новосибирск; Всероссийской научной конференции «Горняцкая смена» (Новосибирск,
2015, 2017); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные
вопросы архитектуры и строительства» (Новосибирск, 2016);
Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2015,
2016, 2017); всероссийской научной конференции «Проблемы развития
горных наук и горнодобывающей промышленности» (Новосибирск, 2014).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 13 научных работах, в том числе 5 статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 86 наименований и приложения. Работа изложена на 138 страницах, содержит 46 рисунков и 6 таблиц.