Введение к работе
Актуальность проблемы. Вибрация и удары играют исключительную роль в современной технике, в частности при работе нефтепромысловых машин. Для защиты нефтепромыслового оборудования от вредной вибрации и ударов целесообразно применять пассивные системы, как наиболее простые и экономически оправданные. Характерно, что виброизоляторы, предназначенные для защиты от вибрации, не обеспечивают защиты от ударов с большой энергией, так как для этого необходим значительный «ход» системы. В то же время при защите от ударов должно обеспечиваться плавное снижение величины ударного импульса до безопасных пределов, а также возврат объекта защиты в исходное положение при требуемом уровне демпфирования.
Одной из основных характеристик виброизолятора с линейными упругими элементами является частота его свободных колебаний. Чем она меньше, тем шире диапазон частот вынуждающей силы, при котором работа виброизолятора эффективна. Для получения виброзащитных систем с малой собственной частотой колебаний требуются упругие элементы с малым коэффициентом жесткости. Возможность использования систем с квазинулевой жесткостью (СКЖ) на основе «фермы Мизеса» для виброизоляции динамических объектов впервые была высказана профессором Алабужевым П.М. Эффект квазинулевой жесткости применяют в различных областях техники. Отличительной особенностью большинства существующих СКЖ является относительно малый рабочий диапазон силовой характеристики. В нефтяной промышленности они до настоящего времени практически не получили распространения. Одной из причин этого является невозможность обеспечения необходимой защиты нефтепромыслового оборудования существующими СКЖ от ударов.
Для создания виброизоляторов, защищающих нефтепромысловое оборудование от вибрации и ударов, требуются нелинейные системы, позволяющие оборудованию в их нейтральном положении находиться на участке силовой характеристики с требуемой малой (квазинулевой) жесткостью. При выходе за пределы этого участка на данное оборудование должна действовать расчетная постоянная восстанавливающая сила при необходимом уровне демпфирования. Важной проблемой существующих СКЖ является попадание координаты защищаемого объекта на рабочий участок силовой характеристики при изменении его массы. С этой точки зрения актуальна задача создания СКЖ на основе пневмопружин, что обеспечивает попадание координаты нефтепромыслового оборудования при изменении его массы на участок силовой характеристики с квазинулевой жесткостью путем расчетного изменения давлений в пневмопружинах. Подвеска валов нефтепромыслового оборудования на гибких опорах с квазинулевой жесткостью снижает требования к балансировке валов, что является перспективным направлением развития СКЖ.
В связи с изложенным создание и исследование виброзащитных и ударозащитных нелинейных систем, имеющих силовые характеристики с участками требуемой малой (квазинулевой) жесткости при заданном уровне демпфирования, представляется современным и актуальным.
Цель работы – создание упругодемпфирующих систем с квазинулевой жесткостью для защиты нефтепромыслового оборудования от одновременного воздействия вибрации и ударов.
Основные задачи:
-
Анализ существующих систем с квазинулевой жесткостью и разработка нелинейных виброударозащитных систем с требуемыми силовыми характеристиками для защиты нефтепромыслового оборудования от одновременного воздействия вибрации и ударов.
-
Исследование нелинейных колебаний систем, имеющих силовые характеристики с участками квазинулевой жесткости и петлями гистерезиса.
-
Создание виброзащитных систем с квазинулевой жесткостью на базе комбинации упругих элементов с различными силовыми характеристиками для защиты нефтепромыслового оборудования от вибрации.
-
Оценка силовых характеристик тарельчатых пружин для возможности их применения в качестве виброизоляторов погружных электроцентробежных насосов при их эксплуатации в нефтяных скважинах.
-
Разработка гибких опор с квазинулевой жесткостью для валов нефтепромыслового оборудования.
-
Создание экспериментального оборудования и методики исследования динамики виброзащитных систем с квазинулевой жесткостью для подтверждения адекватности разработанных математических моделей.
Методы решения. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования СКЖ. Решения задач базируются на положениях теоретической механики, теории сопротивления материалов, теории нелинейных колебаний и математического моделирования. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, использованием известных положений фундаментальных наук, совпадением полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами нефтепромысловых испытаний, а также с результатами исследований других авторов.
Научная новизна
-
Разработаны теоретические основы создания виброударозащитных систем, имеющих силовые характеристики с участками квазинулевой жесткости необходимой длины и петлями гистерезиса заданной формы, полученными за счет сил сухого трения, на основе различных упругих элементов (пружин, подчиняющихся закону Гука, и пневмопружин), перемещающихся между двумя направляющими заданной формы перпендикулярно их оси.
-
Впервые разработаны математические модели для исследования нелинейных колебаний полученных виброударозащитных систем, имеющих силовые характеристики с участками квазинулевой жесткости и петлями гистерезиса прямоугольной формы, полученными за счет сил сухого трения.
-
Определены условия «проскальзывания» разработанных виброударозащитных систем: при определенном отношении высоты петли гистерезиса силовой характеристики к амплитуде гармонической вынуждающей силы колебания исчезают.
-
Установлены параметры виброударозащитных систем, имеющих силовые характеристики с петлями гистерезиса, при которых время затухания после удара минимально.
-
Выявлено смещение резонансных частот виброударозащитных систем, имеющих силовые характеристики с участками квазинулевой жесткости и петлями гистерезиса прямоугольной формы, в область более высоких частот при уменьшении участка квазинулевой жесткости для определенных параметров системы.
-
Для СКЖ нефтепромыслового оборудования, состоящих из двух пар упругих элементов, аналитически определены углы их наклона, при которых возможно получение силовых характеристик с участками квазинулевой жесткости: для двух пар пружин, подчиняющихся закону Гука, - или ; для двух пар пневмопружин - ; для двух пар резиновых элементов круглого сечения - ; для комбинированной системы из пары резиновых элементов и пары пневмопружин - (для резиновых элементов), (для пневмопружин).
-
Разработаны научные основы создания виброизоляторов погружных электроцентробежных насосов, состоящих из последовательно соединенных тарельчатых пружин, имеющих такие геометрические параметры, при которых их силовая характеристика имеет участок заданной малой жесткости.
-
Разработаны гибкие опоры быстроходных валов нефтепромыслового оборудования на основе пакетов тарельчатых пружин с квазинулевой жесткостью, что снижает их критическую скорость вращения.
Основные защищаемые положения
1 Результаты теоретических исследований нелинейных систем для защиты нефтепромыслового оборудования при одновременном воздействии вибрации и ударов, имеющих силовые характеристики с участками квазинулевой жесткости необходимой длины и заданными прямоугольными петлями гистерезиса, полученными за счет сил сухого трения.
-
Методики расчета:
- формы направляющих виброударозащитных систем нефтепромыслового оборудования, между которыми перпендикулярно их оси перемещается упругий элемент (пневмопружина, пружина, подчиняющаяся закону Гука) для получения заданной силовой характеристики с участками квазинулевой жесткости;
- параметров виброзащитных систем нефтепромыслового оборудования из различных упругих элементов, расположенных под заданными углами и имеющих силовую характеристику с участками квазинулевой жесткости необходимой длины;
- амплитудно-частотных характеристик нелинейных систем, имеющих силовые характеристики с петлями гистерезиса прямоугольной формы, полученными за счет сил сухого трения; зависимостей амплитуды вынужденных нелинейных колебаний от высоты петель гистерезиса;
- размеров, геометрии и количества последовательно соединенных тарельчатых пружин, необходимых для получения виброизоляторов погружных электроцентробежных насосов, имеющих силовые характеристики с участками квазинулевой жесткости необходимой длины.
3 Результаты исследований колебаний нефтепромыслового оборудования на виброзащитных системах, имеющих силовые характеристики с заданными петлями гистерезиса, полученными за счет сил сухого трения при ударном воздействии.
4 Научно-теоретические основы создания гибких опор с квазинулевой жесткостью для подвески быстроходных валов нефтепромысловых машин.
5 Результаты стендовых исследований СКЖ, состоящей из двух пар пневмопружин, расположенных под заданными углами, и СКЖ, состоящей из пружины, подчиняющейся закону Гука, перемещающейся между направляющими заданной формы перпендикулярно их оси.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности
По разработанной методике подбора тарельчатых пружин для подвески УЭЦН были изготовлены тарельчатые пружины, которые применялись в виброизоляторах с квазинулевой жесткостью. Данные виброизоляторы в период 2006 – 2009 гг. поставлялись в следующие организации: ООО «Позитрон»; ЗАО «Гамма-Хим», ЗАО «Богородскнефть»; Лениногорское УПНП и КРС ОАО «Татнефть»; ОАО «Татнефть имени Д. Шашина»; филиал ОАО «РИТЭК» НПУ «РИТЭКБелоярскнефть»; ЗАО «Элкамнефтемаш»; ЗАО «ТАТЕХ»; ОАО «Удмуртнефть»; ООО «Синергия-Лидер»; ООО «Миррико Комплексное Обеспечение»; ООО «Лукойл-Коми»; ООО «ЛОЗНА»; ЗАО «Гамма-Хим». Данная методика с 2007 г. использовалась при изготовлении виброизоляторов для компрессоров и центрифуг в ОАО «Каустик». В ООО «Газпромнефть-Восток» для подвески УЭЦН использовались виброизоляторы с тарельчатыми пружинами, подобранные по «Методике подбора тарельчатых пружин для подвески УЭЦН». В период с 2007 по 2009 г. данные виброизоляторы были установлены на следующих месторождениях ООО «Газпромнефть-Восток»: скв. 770/1 куст Урманского м/р; скв. 763/1 куст Урманского м/р; скв. 1191/2 куст Арчинского м/р; скв. 1193/2 куст Арчинского м/р; скв. 328/1 куст Западно-Крапинского м/р; скв. 352/1 куст Западно-Крапинского м/р.
Разработаны и изготовлены стенды: для исследования системы из двух пар пневмопружин и системы из пружины, подчиняющейся закону Гука, которая перемещается между направляющими заданной формы перпендикулярно их оси. Анализ результатов испытаний на стендах подтвердили возможность создания технических систем, имеющих силовые характеристики с участками квазинулевой жесткости необходимой длины.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии ХХI века», Пенза, 2004 г.; VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России», Уфа 2004 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Математическое моделирование механических явлений», Екатеринбург, 2004 г.; Международной научно-практической конференции «Ашировские чтения», Самара, 2004 г.; Международной конференции «Наука на рубеже тысячелетий», Тамбов, 2004 г.; V Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2004 г.; XXXIV Уральском семинаре по механике и процессам управления, Екатеринбург 2004 г.; IX Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России», Уфа 2005 г.; III Международной научно-технической конференции «Вибрация машин, снижение, защита», Донецк, 2005 г.; XXV российской школе по проблемам науки и технологий, посвящённой 60-летию Победы, Екатеринбург 2005 г.; Международной научно-технической конференции «Вычислительная механика деформируемого твёрдого тела», Москва, 2006 г.; Х Международной специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство – 2006», Уфа, 2006 г.; V Международной научно-технической конференции «Надежность и
безопасность магистрального трубопроводного транспорта», Новополоцк, 2006 г.; IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, 2006 г.; научно-технической конференции «Математическое моделирование механических явлений», Екатеринбург, 2007 г.; научном семинаре стипендиатов программы «Михаил Ломоносов» 2006/07 года, Москва, 2007 г.; Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии», Курск, 2008 г.; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук», Уфа, 2008 г.; Международной конференции «Шестые Окуневские чтения», Санкт-Петербург, 2008 г.; Международной конференции «ENOC 2008 Sixth EUROMECH Nonlinear Dynamics Conference», Санкт-Петербург, 2008 г.; научно-технической конференции «Математическое моделирование механических явлений», Екатеринбург, 2009 г.; на семинаре в г. Гамбурге, (Hamburg Mechanics and Ochean Engineering, Institute of the Hamburg University of Technology), 2006 г.; малом семинаре по дифференциальным уравнениям математической физики, институт математики с ВЦ УНЦ РАН, Уфа, 2008 г.; на семинаре по дифференциальным уравнениям математической физики, институт математики с ВЦ УНЦ РАН, Уфа, 2008 г.; семинаре института механики УНЦ РАН, институт механики УНЦ РАН, Уфа, 2008 г.; московском научно-методическом семинаре по теоретической механике (МГТУ), Москва, 2008 г.; заседании Президиума НМС по теоретической механике (институт механики МГУ имени Ломоносова), Москва, 2008 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 51 печатная работа, в том числе 12 статей в журналах, рекомендуемых ВАКом Минобрнауки РФ для публикации докторских диссертаций, получено 2 патента РФ и 3 авторских свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы и приложений, изложена на 348 страницах машинописного текста и содержит 133 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 319 наименований и 17 приложений.
Автор выражает благодарность сотрудникам кафедр «Нефтегазопромысловое оборудование», «Механика и конструирование машин», «Разработка и эксплуатация нефтегазовых месторождений» УГНТУ, а также лично: Андронову В.В., Болотнику Н.Н., Лягову А.В., Мартыненко Ю.Г., Михлину Ю.В., Обносову К.Б., Ризванову Р.Г., Шайдакову В.В. за помощь в проведении исследований, оформлении и обсуждении результатов работы.
Решение некоторых задач, освещенных в диссертации, явились результатом совместных работ с Аптыкаевым Г.А., Атнагуловым А.Р., Валеевым А.Р., Вахитовой Р.И., Гарифуллиным И.Ш., Ишемгужиным И.Е., Имаевой Э.Ш., Надыршиным Р.Ф., Тихоновым А.Ю., Шайдаковым В.В., Уметбаевым В.В., Уразаковым К.Р., Кареллой А. (Великобритания), за что автор им признателен.
Автор благодарит профессора Аверьянова Геннадия Сергеевича, с которым подробно обсуждались все результаты работы, начиная с 2003 г.
