Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение высокой эффективности машиностроительного производства на современном этапе – это, прежде всего, увеличение производительности и уменьшение себестоимости изготовления машин при сохранении или повышении качества, надежности и конкурентоспособности изделий. Проблемы обеспечения высокого качества изделий в процессе изготовления и сборки в настоящее время являются наиболее актуальными для такого особого класса сложнейших высокоточных и наиболее ответственных наукоемких машин и механизмов, как газотурбинные двигатели и агрегаты (ГТД и ГТА) для авиации, наземных энергетических и газоперекачивающих установок. В тоже время нужно отметить, что эти проблемы сегодня активно решаются в процессе производства изделий, а процессу сборки изделий - одному из важных технологических процессов, занимающему до 60% всей трудоемкости производства, уделяется недостаточно внимания, как со стороны науки, так и практики. Наибольшие проблемы и значительную трудоемкость имеет процесс сборки высокоскоростных роторов газотурбинных двигателей и турбоагрегатов. Это связано с тем, что практически весь технологический процесс сборки таких роторов выполняется вручную на основе практического опыта без четких научно обоснованных математизированных методик и рекомендаций. В результате действия множества субъективных составляющих «человеческого фактора» в процессе сборки появляются погрешности установки сборочных единиц. В свою очередь, погрешности взаимного положения эксцентриситетов сопрягаемых элементов сборочных единиц, устанавливаемых на вал ротора, приводят к снижению качества сборки и к последующей дополнительной разборке и сборке. При этом методы научно-обоснованной оценки качества окончательной сборки отсутствуют. Основное отрицательное последствие такой бессистемной сборки – появление развитых локальных дисбалансов, как на отдельных роторах, так и на валопроводах в целом. В процессе эксплуатации при высокоскоростном вращении роторов (от 5000 до 50000об/мин) появляется общая динамическая неустойчивость валопровода, и, как следствие – повышенные вибрации, увеличенные динамические нагрузки на опоры, значительное снижение эксплуатационных характеристик и сокращение ресурса работы изделия в целом. В то же время, системная научно-обоснованная минимизация локальных и монтажных дисбалансов на основе разработки методологии адаптационной (позднелат. adaptatio — прилаживание, приспособление, от лат. adapto — приспособляю) сборки в технологическом процессе установки сборочных единиц на вал ротора обеспечит необходимый уровень динамической устойчивости работы ГТА или ГТД и ликвидацию последствий, вызванных ею.
Научная и практическая реализация проблемы повышения динамической устойчивости ГТА и ГТД обеспечит значительный экономический эффект и поднимет конкурентоспособность отечественной продукции. В настоящее время, когда Правительством РФ принято решение о прокладке газопроводов «Северного потока» и «Южного потока» с многомиллиардным бюджетом, именно конкурентоспособность отечественных газоперекачивающих агрегатов определит судьбу авиационного и энергетического турбостроения в России.
Таким образом, создание методологии обеспечения динамической устойчивости валопроводов, с получением при этом высокого качества сборки и заданного уровня ресурса ГТА и ГТД при снижении себестоимости и трудоемкости сборочных работ является весьма актуальной задачей.
Цель диссертационной работы: разработка методологии обеспечения динамической устойчивости валопроводов высокоскоростных газотурбинных агрегатов на основе применения адаптационной сборки.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
-
Установить основные закономерности и взаимосвязи между величинами погрешностей установки сборочных единиц при сборке роторов и величинами появляющихся при этом локальных дисбалансов ротора.
-
Разработать адаптирующие методы и алгоритмы технологических процессов подготовки к сборке валов и элементов роторов, обеспечивающие минимизацию локальных дисбалансов высокоскоростных гибких роторов и роторов с несовпадающими балансировочными и рабочими поверхностями.
-
Разработать адаптирующий метод и алгоритм технологического процесса сборки, обеспечивающего минимизацию прироста локальных дисбалансов ротора.
-
Разработать адаптирующий метод и алгоритм выполнения технологического процесса, обеспечивающие коррекцию монтажных дисбалансов валопровода при его сборке.
-
Провести сравнительное математическое моделирование динамического состояния роторов, собранных по типовому и адаптирующему технологическим процессам.
-
Провести сравнительные экспериментальные исследования качества сборки при типовом и адаптирующем технологическом процессе.
-
Разработать практические рекомендации и алгоритмы проектирования технологических процессов сборки на основе адаптационных методов.
Методы исследований. При выполнении работы использовались основные научные положения технологии машиностроения, теории сборки, статистических методов, имитационного моделирования дисбалансов, метода конечных элементов, математического и физического моделирования, экспериментального сравнительного исследования. Математическое моделирование изгибов роторов и их элементов выполнено с использованием программы «ANSYS». Сравнительные экспериментальные исследования, физическое моделирование и экспериментальная проверка эффективности методов сборки совмещены с натурными испытаниями компрессоров производства НПО «Искра». Сравнительные испытания трансмиссий выполнены по специально разработанной программе на испытательном стенде ОАО «Искра-ТУРБОГАЗ».
Достоверность и обоснованность научных результатов
Достоверность результатов проведенного исследования подтверждается согласованностью результатов математического моделирования с экспериментально полученными данными:
- согласованием результатов испытаний роторов, собранных по типовому и адаптированному технологическим процессам;
- согласованием результатов физического моделирования монтажного дисбаланса на стенде при проведении приемо-сдаточных испытаний с данными, полученными в ходе пуско-наладочных работ на компрессорной станции;
- внедрением разработок в производство и в учебный процесс.
На защиту выносятся следующие основные положения, сформулированные в диссертационной работе:
1. Результаты теоретических исследований, математического моделирования и сравнительных экспериментальных исследований факторов и параметров динамической устойчивости валопровода:
- закономерности и взаимосвязи величин погрешностей изготовления и установки деталей и сборочных единиц с распределением локальных дисбалансов роторов при сборке;
- математическая модель влияния параметров сборочных единиц на появление монтажных дисбалансов роторов и валопроводов.
2. Модель адаптирующего технологического процесса сборки роторов.
3. Алгоритмы и методы осуществления технологических процессов, построенные на основе методов адаптирующей подготовки к сборке валов и элементов роторов, адаптирующей сборки колес турбин и роторов, коррекции монтажных дисбалансов элементов валопроводов, включающие в себя:
- расчетно-объемный метод подготовки высокоскоростного гибкого вала к сборке, обеспечивающий его многоплоскостное уравновешивание на всех частотах работы;
- расчетно-имитационный метод подготовки вала к сборке, обеспечивающий минимизацию монтажных локальных дисбалансов роторов при переходе с балансировочных на рабочие оси вращения;
- прецизионный метод подготовки к сборке элементов роторов по заранее измеренным и рассчитанным параметрам их установки;
- метод эксцентриситетно-виртуальной сборки колес турбин, обеспечивающий минимизацию начального дисбаланса ротора при сборке;
- метод расчетно-эксцентриситетной сборки роторов, обеспечивающий минимизацию локальных монтажных дисбалансов;
- метод многоплоскостной коррекции, обеспечивающий нормализацию монтажных дисбалансов элементов валопроводов.
Диссертационная работа в полном объеме доложена, обсуждена и рекомендована к защите на совместном заседании кафедр «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструмент» НИПГТУ, а также на заседании кафедры «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» РГАТА им. П.С. Соловьева.
Научная новизна. Разработаны теоретические основы обеспечения динамической устойчивости высокоскоростных газотурбинных агрегатов на основе применения методологии адаптационной сборки роторов и валопроводов, включающей в себя методы подготовки, осуществления и коррекции результатов сборки.
На разработанные новые технические решения получены патенты РФ №№2347112, 2372594, 2372595, 2379625, 2395447 и по двум заявкам приняты положительные решения о выдаче патентов: 12.10.2010 по заявке №2009146653 (приоритет 15.12.2009), 24.01.2011 по заявке №2010112363 (приоритет 30.03.10).
Практическая полезность. По результатам диссертационного исследования разработаны:
- Методики и программное обеспечение адаптационной подготовки валов и элементов роторов к сборке.
- Методика и программное обеспечение адаптационной сборки колес турбин.
- Методика и программное обеспечение адаптационной сборки роторов.
- Методика и программное обеспечение коррекции монтажных дисбалансов элементов валопроводов.
- Программа обучения специалистов студентов энергетического машиностроительного комплекса основам методологии обеспечения виброустойчивости валопроводов ГТД, ГТУ и ГПА.
Реализация результатов. Результаты исследования внедрены в производственный процесс НПО «Искра», ОАО «Искра-ТУРБОГАЗ», ООО «Спец-М», ОАО «Пермский моторный завод» в г. Перми и в учебный процесс при чтении курса лекций «Основы методологии обеспечения виброустойчивости валопроводов газоперекачивающих агрегатов», а также при дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ, магистерских диссертаций на кафедре «Технология машиностроения» НИПГТУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены и обсуждены на международных, всероссийских и межвузовских конференциях: 17 НТК ПВИ РВ. г. Пермь (1999), НПК ПВИ ВВ МВД. г. Пермь (1999), МНПК «Ресурсосберегающие технологии» НАН РБ, г.Минск(2004); МНТК «Материалы и технологии ХХI века» г.Пенза (2004); МНТК «Опыт, проблемы и перспективы развития технического сервиса» г.Минск (2004); МНТК БНТУ, «Наука – образованию, производству, экономике» г.Минск (2004); ВНТК ЦНТИ «Информация, инновации, инвестиции» г.Пермь (2004, 2005, 2006); Х МНТК «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах», ПГТУ, г.Пермь (2010); ВНТК «Новые материалы и технологии», МАТИ, г.Москва (2010). и специализированных семинарах: СПб (2008), Пермь (2009, 2010, 2011), г.Рыбинск (2010). Разработка экспонировалась на 10 международной выставке (2011) «Станки, приборы, инструмент», г. Пермь, отмечена дипломом.
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 38 печатных работах, в том числе 1 монографии, 17 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, 2 статьях в иностранных изданиях (Russian Engineering Research, США), 13 публикациях в иных изданиях, получено 5 патентов РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений, включает 312 страниц машинописного текста, 128 рисунков, 46 таблиц.
