Введение к работе
Актуальность темы. Высокоскоростные роторы с магнитными подшипниками находят все более широкое применение в различных областях машиностроения, в том числе и в компрессоростроении. Это объясняется их существенными преимуществами по сравнению с роторами с традиционными подшипниками качения и скольжения. Благодаря отсутствию механического контакта между подвижной и неподвижной частями машины исключается изнашивание в узле ротора, не требуется система смазки, обеспечиваются высокие скорости вращения и низкое энергопотребление, возможна работа в экстремальных условиях. Благодаря наличию электронной системы управления магнитным подвесом обеспечивается контроль положения оси ротора, регулировка жесткости и демпфирования подвеса, контроль параметров рабочего процесса.
Ротор компрессора, являясь наиболее напряженным узлом, определяет уровень надежности и долговечности машины. В свою очередь подшипниковые узлы определяют эксплуатационную надежность роторов с магнитными подшипниками. Ресурс роторов с магнитными подшипниками определяется временем до возникновения сверхнормативного уровня эксплуатационных дисбалансов. При достижении их критического значения ротор выходит из строя. Одним из основных факторов, приводящих к повышению уровня эксплуатационных дисбалансов ротора, является его недостаточная уравновешенность, обусловленная, в том числе, несовершенством технологических процессов сборки. Высоко нагруженные удлиненные роторы подвергаются также модальным изгибам, которые можно устранить только на высокочастотном дорогостоящем балансировочном оборудовании. Однако эксплуатация такого оборудования сопряжена с повышенной трудоемкостью и стоимостью соответствующей технологии.
В настоящее время отсутствуют научные разработки, обеспечивающие многоплоскостное уравновешивание роторов с магнитными подшипниками на доступном низкочастотном оборудовании. Отсутствуют научно обоснованные технологические рекомендации для обеспечения требуемого уровня уравновешенности роторов с магнитными подшипниками в процессе их сборки.
Таким образом, разработка технологического обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками центробежных компрессоров на этапе их сборки, позволяющего повысить эксплуатационную надежность и ресурс компрессоров и снизить трудоемкость и стоимость сборки их роторов, является актуальной задачей.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка технологического обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками центробежных компрессоров на основе компенсации локальных дисбалансов вала и технологических дисбалансов ротора заданными дисбалансами насадных элементов в процессе сборки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
-
В результате системного анализа научных исследований и существующего опыта в области технологического обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками разработать пути решения выявленных проблем.
-
Рассмотреть механизм снижения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками на этапе сборки и монтажа и теоретически обосновать возможность многоплоскостного уравновешивания роторов с магнитными подшипниками на основе компенсации технологических дисбалансов заданными дисбалансами насадных элементов.
-
Разработать математическую модель, устанавливающую теоретическую взаимосвязь между локальными дисбалансами вала, насадных элементов и технологическими дисбалансами роторов с магнитными подшипниками.
-
Разработать математическую модель и алгоритм компенсационного метода сборки, позволяющие управлять процессом обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками. Разработать программу расчета параметров сборки.
-
Разработать методику проведения экспериментального исследования динамического состояния роторов с магнитными подшипниками.
-
Провести сравнительные экспериментальные исследования динамического состояния роторов с магнитными подшипниками, собранных по типовому технологическому процессу и по технологическому процессу, основанному на применении разработанного метода. Провести анализ результатов экспериментального исследования.
-
Разработать технологические рекомендации по обеспечению уравновешенности роторов с магнитными подшипниками в технологических процессах сборки, основанных на применении разработанного метода.
Методы исследования. Диссертационное исследование выполнено с использованием научных основ технологии машиностроения, теории сборки, математической статистики, математического моделирования, экспериментального сравнительного исследования. Математическое моделирование напряжений и перемещений роторов и их элементов осуществлено в аттестованном программном пакете «ANSYS». Сравнительные экспериментальные исследования совмещены с натурными испытаниями компрессоров, произведенных НПО «Искра».
Достоверность и обоснованность научных результатов. Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждается корректным использованием математического аппарата, согласованностью результатов теоретических исследований и сравнительных экспериментальных исследований динамического состояния роторов с магнитными подшипниками.
Положения, выносимые на защиту.
-
-
Результаты теоретических исследований и разработанная математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между локальными дисбалансами вала, насадных элементов и технологическими дисбалансами роторов с магнитными подшипниками.
-
Математическая модель и алгоритм компенсационного метода сборки, позволяющие управлять уравновешенностью роторов с магнитными подшипниками.
-
Результаты сравнительного экспериментального исследования динамического состояния роторов с магнитными подшипниками, собранных по типовому технологическому процессу и по технологическому процессу, основанному на применении разработанного метода.
Научная новизна.
-
-
-
Разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между локальными дисбалансами вала, насадных элементов и технологическими дисбалансами роторов с магнитными подшипниками.
-
Разработана математическая модель и алгоритм компенсационного метода сборки, позволяющие управлять уравновешенностью ротора на основе установленной взаимосвязи.
-
Разработан метод сборки, обеспечивающий уравновешенность роторов на основе компенсации локальных дисбалансов вала и технологических дисбалансов ротора, заданными дисбалансами насадных элементов (новизна технических решений подтверждена патентами РФ №2426014, 2449180).
Практическая ценность. По результатам исследования разработаны научно обоснованные технологические рекомендации по проектированию технологических процессов сборки роторов с магнитными подшипниками, обеспечивающие их уравновешенность. Разработаны математическая модель, алгоритм и программное обеспечение для управления процессом обеспечения уравновешенности роторов в процессе сборки.
Практическая реализация. В результате проведения натурных испытаний разработанного метода в производственных условиях ОАО НПО «Искра» получено экспериментальное подтверждение возможности обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками на основе применения разработанного метода сборки.
Разработанные рекомендации по практическому применению результатов проведенного исследования внедрены в производственный процесс ОАО НПО «Искра» и в учебный процесс кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ. Внедрение результатов исследования в производственный процесс обеспечило наибольшее снижение общего уровня виброперемещений опор роторов с магнитными подшипниками в 3,0 раза, наибольшее снижение размаха виброперемещений опор роторов с магнитными подшипниками в 3,9 раза.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования доложены и обсуждены на 10 международных, всероссийских и межвузовских конференциях: НТК молодых специалистов НПО «Искра», Пермь (2009, 2010); LVII НТС РАН по проблемам газовых турбин, Уфа (2010); ВНТК «Новые материалы и технологии», МАТИ, Москва (2010); I МНПК «Молодые ученые Прикамья - 2011», ПНИПУ, Пермь (2011); XVIII МНТК «Машиностроение и техносфера XXI века», ДонНТУ, Севастополь (2011); IV ВК молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва (2011); ВНТК в рамках Инновационно-промышленного салона и специализированной выставки ПР0МЭКСП0-2013, УГАТУ, Уфа (2013). Результаты исследования представлены на 10 международной выставке «Станки. Приборы. Инструмент», Пермь (2011). Получено 4 диплома на конференциях и выставках. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на заседании кафедр ИТМ ПНИПУ и ТАДиОМ РГАТУ.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 20 печатных работах, в том числе в 8 изданиях, рекомендованных ВАК, получено 2 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников из 90 наименований и 2 приложений. Работа включает 145 страниц машинописного текста, содержит 60 рисунков и 20 таблиц.
Похожие диссертации на Технологическое обеспечение уравновешенности высокоскоростных роторов с магнитными подшипниками на основе компенсационного метода сборки
-
-
-
