Исследование и создание конструкций крутильных механизмов на газомагнитном подвесе для машин по производству синтетических волокон Шнайдер Александр Григорьевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Обзор и анализ работ по высокоскоростным роторным системам с бесконтактным подвесом 7

1.1. Опорные устройства прядильных и крутильных механизмов текстильных машин 7

1.2. Газомагнитный подвес роторов II

1.3. Объект теоретического исследования 27

1.4. Теоретические и экспериментальные работы по динамике роторных систем с газомагнитным подвесом 31

1.5. Постановка задач исследования 33

2. Составление дифференциальных уравнений динамики исследуемой роторной системы с газомагнитным подвесом 35

2.1. Обоснование динамической модели системы 35

2.2. Кинетическая энергия системы 37

2.3. Магнитные силы, действующие в системе 38

2.4. Газовые силы, действующие в системе 43

2.5. Дифференциальные уравнения движения системы 48

3. Исследование динамики системы на ЭЦВМ 52

3.1. Преобразование системы дифференциальных уравнений для решения на ЭЦВМ 52

3.2. Алгоритмы и программы расчета на ЭЦВМ . 54

3.3. Варианты решений и их анализ 59

3.4. Способ реализации осевого зазора 62

4. Исследование на ЭЦВМ влияния параметров системы на характеристики ее движения 73

4.1. Амплитудно-частотные характеристики системы 73

4.2. Влияние неуравновешенности ротора на динамику системы 88

4.3. Влияние конструктивных параметров на динамику системы 92

4.4. Влияние электромагнитных и газовых параметров на динамику системы 98

5. Экспериментальное исследование роторной системы на газомагнитном подвесе 120

5.1. Объект экспериментального исследования 120

5.2. Создание стенда для испытания роторных систем на газомагнитном подвесе 126

5.3. Определение параметров исследуемой системы 132

5.4. Исследование радиальной жесткости газомагнитного подвеса ротора 141

5.5. Исследование осевой жесткости газомагнитного подвеса ротора 149

5.6. Исследование вибрационных характеристик системы 152

5.7. Исследование акустических характеристик системы 165

5.8. Определение энергетических характеристик системы 168

5.9. Анализ производственных испытаний исследуемой

роторной системы 170

Результаты исследований и выводы 173

Список литературы

• Газомагнитный подвес роторов
• Кинетическая энергия системы
• Алгоритмы и программы расчета на ЭЦВМ
• Влияние неуравновешенности ротора на динамику системы

Введение к работе

Актульность темы. ХХУІ съезд КПСС поставил перед текстильной промышленностью важные народнохозяйственные задачи по дальнейшему увеличению объема производства товаров народного потребления, расширению и обновлению их ассортимента, повышению качества изделий

Успешное решение данной комплексной проблемы требует разработки новых технологических процессов, их интенсификации, улучшения конструкции существующих и вновь выпускаемых машин, повышения качества изготовления и надежности, снижения шума и вибрации машин.

Тенденция повышения производительности текстильных машин предъявляет определенные требования к наиболее массовому узлу -крутильным механизмам. Создание высокоскоростных крутильных механизмов обладающих высокой надежностью, низким уровнем виброакустической активности, малой энергоемкостью и хорошей конструктивной встраеваемостью, возможно только на базе качественных опорных узлов.

Однако известным типам опор присуши те или иные недостатки ограничивающие их использование в крутильных механизмах. В настоящее время наметилась тенденция к созданию бесконтактных газомагнитных опор крутильных механизмов [2.5] . Высокими эксплуатационными характеристиками обладают не любые газомагнитные опоры, а только опоры совмещенные с индивидуальным электроприводом, таким образом, что бесконтактный подвес ротора - шипа обеспечивается в одном направлении (например радиальном) электромагнитными силами рабочей обмотки статора, а в другом (например осевом) за счет подвода сжатого газа в рабочий зазор опоры сквозь магнитопровод статора - вкладыша и сил магнитного притяжения ротора к статору.

Работы в этом направлении ведутся на Винницком электротехническом заводе как в области теоретического и экспериментального

исследования динамики крутильных механизмов, так и в области создания новых конструкций крутильных механизмов с газомагнитным подвесом ротора.

Научная новизна. 6 результате выполнения диссертационной работы автором впервые:

1) исследована динамика крутильных механизмов с газомагнитным подвесом ротора;

2) аналитически исследованы влияния основных параметров системы на ее динамику;

3) разработана методика теоретического определения устойчивых осевых зазоров в системе ;

4) исследованы силовые взаимодействия в газомагнитном подвесе;

5) разработана и экспериментально исследована конкретная конструкция крутильного механизма с газомагнитным подвесом;

6) разработана конструкция испытательного стенда.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы могут использоваться при проведении научно-исследовательских и опытно -конструкторских работ по созданию новых типов высокоскоростных крутильных механизмов.

фактическую ценность представляют следующие результаты работы:

1) конструкция крутильного механизма типа ЭКМ-01-30;

2) конструктивные схемы крутильных механизмов различного типа;

3) методика исследования динамики крутильного механизма с газомагнитным подвесом ротора;

4) результаты аналитического определения влияния параметров системы на ее динамические характеристики;

5) программы для ЭЦВМ типа ВС-1022 по исследованию динамики роторной системы с газомагнитным подвесом ротора.

Реализация результатов работы. В настоящее время на Черниговском производственном объединении "Химволокно" на однопроцессных текстурирующих машинах типа ДТХ фирмы " Ishlkawa Seisakusbo " (Япония), двигатели ложного кручения нити фирмы n Shun ко " заменяются на электропривода типа ЭКМ-01-30. Внедрение разработанных электроприводов только в условиях Черниговского п/о "Химволокно" обеспечит получение экономического эффекта в {80,0 тыс.рублей.

На базе электропривода типа ЭКМ-01-30 на Винницком электротехническом заводе (ВЭЗ) создается ряд конструкций крутильных механизмов различных типов.

На ВЭЗе при создании роторных систем с газомагнитным подвесом используется методика и результаты исследований динамики крутильных механизмов с газомагнитным подвесом, при испытании опытных образцов крутильных механизмов используется экспериментальный стенд.

На ВЭЗе совместно с Ленинградским институтом киноинженеров создано сканирующее устройство с газомагнитным подвесом ротора,в основу конструкции которого положен электропривод ЭКМ-01-30.

Некоторые результаты исследования динамики роторной системы с газомагнитным подвесом ротора используются в учебном процессе Винницкого политехнического института и Восточно-Сибирского технологического института при изучении курса теоретической механики. 

Газомагнитный подвес роторов

Конструкция электроверетена для бескольцевого прядения [7.5J является попыткой объединить газостатические подшипники с электромагнитными опорами управляемыми внешней системой автоматического регулирования. Однако наличие пяти рабочих зазоров в одной роторной системе значительно затрудняет изготовление этой конструкции ее сборку и эксплуатацию, наличие же внешней системы регулирования является серьезным препятствием к использованию предложенной конструкции в прядильных и крутильных механизмах текстильных машин. Предложенная конструкция представляет собой ротор электроверетена межопорно подвешенный на двух конусных газостатических опорах, вкладыши которых используются в качестве магнитопроводов датчиков радиального положения ротора. Сигнал, определяющий зазор, с датчиков через внешнюю систему регулирования подается на два исполнительных электромагнита изменяющих радиальное положение ротора.

Известны конструкции [7.1, 7.8] электроприводов, обеспечивающие устойчивость газового подшипника за счет нагружения его электромагнитными силами статора.

Для совдания аксиальной устойчивости в асинхронном электродвигателе [7.IJ короткозамкнутый ротор установлен с осевым смещением относительно магнитопровода статора. Возникающая при этом выравнивающая сила рабочего магнитного поля статора уравновешивается подъемной силой упорного газостатического подшипника. Радиальный подшипник газостатический.

Для повышения радиальной устойчивости электродвигателя, исключения явления типа "полускоростной вихрь", предложена конструкция 7.8] , в которой газомагнитная стабилизация радиального положения ротора осуществляется смещением радиальных газодинамических подшипников в радиальном направлении относительно магнитопровода статора. Смещение осуществляется на величину, равную О, І -І- 0,9 величины среднего воздушного зазора между статором и ротором. При этом возникает сила одностороннего магнитного притяжения ротора к статору, которой обеспечивает нагружение газодинамической опоры.

Из приведенного обзора прядильных и крутильных механизмов с газомагнитным подвесом ротора, очевидно, что предпочтительным типом привода является индивидуальный электропривод.

Анализ вышеописанных конструкций [7.1, 7.8] показал, что использование рабочего электромагнитного поля электрической машины для газомагнитного подвеса ротора позволяет не только усовершенствовать конструкцию механизма - снизить общий вес и габаритные размеры, осуществить совмещение рабочего органа (крутильного или прядильного) непосредственно с телом ротора, - но и улучшить ее общие энергетические показатели (по сравнению с тем же механизмом, но имеющим вынесенные отдельно опоры).

Работы в направлении объединения функций газомагнитной опоры с функциями статора электропривода прядильных и крутильных механизмов ведутся на Винницком электротехническом заводе при непосредственном участии автора.

Так специалистами Винницкого электротехнического завода разработана конструкция вьюркового механизма (7.10] , выполненного в виде электрической машины цилиндрического исполнения, в которой внутренняя поверхность магнитопровода статора выполнена в виде радиального газодинамического подшипника, а осевой подвес осуществляется рабочим электромагнитным полем статора. Конструкция (см.рис. I.I2) состоит из магнитопровода статора I с обмоткой 2. В расточке магнитопровода статора установлена втулка 3 изготовленная из диамагнитного материала обладающего высокими антифрикционными свойствами. Внутри втулки расположен ротор 4 выполненный в виде вьюрка для ложного кручения нити.

Кинетическая энергия системы

В основу разработанного автором электропривода крутильных механизмов с газомагнитным подвесом ротора, положены конструктивные решения [7. II - 7.15] предложенные специалистами Винницкого электротехнического завода при непосредственном участии автора.

Конструкция привода крутильного органа [7. II] , выполненного в виде электрической машины торцевого исполнения с газомагнитным подвесом ротора. Привод (рис. I.I5) состоит из ротора I с шихтованным магнитопроводом 2, статора 3, торцевого асинхронного электродвигателя в верхней торцевой части, магнитопровода 4, которого в пазах уложена обмотка 5. В центре статора расположен газостатический подпятник б. Подача в подпятник сжатого газа заставляет ротор всплыть на слое газовой смазки. При подаче напряжения в обмотку статора магнитопровод ротора выставляется концентрично магнитопроводу статора и начинает вращаться.

Радиальное центрирование осуществляется рабочим электромагнитным полем статора, благодаря наличию на рабочих поверхностях ротора и статора кольцевых концентрично расположенных зубцов.

Конструкция устройства для ложного кручения нити &.І2] , выполненная в виде торцевой электрической машины, в которой статор обеспечивает полный газомагнитный подвес ротора. Устройство (рис. І.І6) состоит из статора I торцевого электродвигателя с непрерывной обмоткой 2, уложенной в пазы с обоих торцов статора и двух роторов 3. Газ под давлением подается в корпус, затем сквозь магнитопровод статора в верхний рабочий зазор, ротор всплывает на слое газовой смазки. Радиальное центрирование осуществляется рабочим электромагнитным полем статора в плоскостях двух роторов, что позволяет повысить радиальную жесткость опоры. С целью улучшения эксплуатационных свойств в конструкции предусмотрено выполнение одного ротора ассинхронным, а другого синхронно -реактивным, а также выполнение роторов с различным числом пазов. Использование магнитопровода статора в качестве газостатического подпятника позволяет применить многощелевую газостатическую опору, используя для подвода газа в рабочий зазор опоры щели полученные при шихтовке магнитопровода статора по принципу описанному в 7»

На рис. І.І7 приведена конструктивная схема разработанного автором электропривода крутильных механизмов. Электропривод представляет собой торцевой высокочастотный асинхронный электродвигатель с газомагнитным подвесом ротора. Над статором 2 расположен ротор І. В верхней торцевой части статора 2 расположены радиальные пазы 3, в которые уложена трехфазная обмотка 4. Сжатый воздух в рабочий зазор системы подается через газостатический подпятник 5. Для увеличения эффекта радиального электромагнитного центрирования на рабочих поверхностях ротора и статора выполнены кольцевые концентрично расположенные зубцы б. Работает привод аналогично

Роторные системы с газомагнитным подвесом относятся к сложным динамическим системам.

В основу теоретических исследований динамики роторной системы с газомагнитным подвесом должны быть положены основополагающие работы по динамике роторных систем А.Н. Крылова [3.7] , М.Я. Кушу-ля [З.в] , Е.Л. Николаи [З.Іб] , СП. Тимошенко [3.18] , Ф.М. Ді-ментберга (З.б] , Л. Г. Лойцянского \3.14J , А. И. Лурье [3.14] , В. А. Гробова J3.5] и других.

Динамике сложных роторных систем текстильных машин посвящены работы советских ученых А.П. Малышева, А.И. Макарова [3.15] , Я.И. Коритысского [3.9, 3.10, 3.IIJ , В.Н. Аносова, Э.А. Попова [4.8, 3.I5J , А.Ф. Прошкова [3.5, 3.17] и других.

В работах этих ученых были развиты вопросы динамики сложных роторных систем текстильных машин таких как веретена, электроверетена, прядильные камеры, центрифуги, крутильные механизмы, бобино-держатели, фрикционные цилиндры и т.д.

Основным узлом определяющим работоспособность этих роторных механизмов являются опоры шарикоподшипниковые и промежуточные (дисковые).

Повышение производительности роторных систем текстильных машин, обеспечивается за счет увеличения рабочей частоты вращения механизмов. Тенденция повышения частоты вращения роторных механизмов за счет использования бесконтактных опор нашла отражение в ряде теоретических работ.

Алгоритмы и программы расчета на ЭЦВМ

Нинетическую энергию системы определим воспользовавшись теоремой Кенига [3.I6J . Обозначая массу ротора через М , проекции скорости центра инерции на оси t , л » С через І , ті » s » глав ке G D6 Ьд ІБ JG ные моменты инерции ротора через А , В и С » а проекции вектора угловой скорости UJ на оси 2 и К и линию узлов через, соответственно, р , п , р , получим выражение для кинетической энергии: G - Б - Б учитывая, что ось К определяется, как перпендикуляр к оси Z в плоскости z , а проекции вектора угловой скорости р , Q , р OS определяются в виде [3.16 J : то выражение (2.2) перепишется в виде: + Ca sin2p + 2C4 dlSinP). Пренебрегая членами высшего порядка малости, имеем:

Учитывая, что моменты инерции ротора относительно осей X и \j равны между собой, т.е. А=В ; а с точностью до величины первого порядка малости 4 =Cot получим:

Подставляя зависимости (2.1) в формулу (2.4), получаем: Т=2М[т)2+825іпга)І-2т Scosincjjf+iij +S cos cot- 12би cos ШТ+ l\ (#41) +ІСи +Си&Р. Отбрасывая величины высших порядков малости: Т=г м[( г сг) 2бы( ссобео еЫпыГ) (2.5) А(А М)+С"АР Таким образом, выражение (2.5) определяет кинетическую энергию ротора исследуемой системы.

Для обеспечения радиального электромагнитного центрирования на рабочих поверхностях статора и ротора выполнены кольцевые концентрично расположенные зубцы (см. раздел 1.3 настоящей работы; рис. 2.2) [7.IIJ . Радиальное центрирование ротора рабочим

электромагнитным полем статора происходит следующим образом. Примем, что проводимость стали бесконечно велика и отсутствуют токи на поверхности зубцовой зоны. Тогда, если оси зубцов ротора и статора будут совпадать друг с другом, то на боковых поверхностях зубцов будет одинаковое распределение и величина индукции, в результате чего возникают две одинаковые силы, нормально приложенные к поверхности зубца. Тангенциальные составляющие этих сил будут равны и противоположно направлены, т.е. магнитная центрирующая сила равная разности этих сил, будет равна нулю. Вертикальные составляющие будут складываться, создавая силу притяжения ротора к статору. При смещении зубцов друг относительно друга распределение магнитной индукции и ее величина на боковых поверхностях зубцов будут неодинаковы. Тангенциальные составляющие магнитной силы боковых поверхностей зубца уже не будут равны. В результате возникает тангенциальная сила, стремящаяся возвратить ротор в прежнее положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии системы.

При косинусоидально изменяющейся намагничивающей силе и учете только постоянной составляющей проводимости воздушного зазора формула для определения нормальной составляющей силы магнитного притяжения запишется в виде [о. IJ :

На ротор исследуемой системы со стороны слоя газовой смазки действует подъемная сила F , а при угловых перекосах ротора возникает восстанавливающий момент М .

Подъемная сила щелевого газостатического подпятника (рис. 2.4) определяется как сумма подъемной силы, возникающей в закрытой области, где давление равно Р , подъемной силы, возникающей в области между щелью и внешней границей газостатического подпятника, с вычетом силы давления на подпятник газа, находящегося в окружающей среде.

Яаким образом, выражение (2.25) определяет подъемную силу слоя газовой смазки, действующую на ротор исследуемой системы.

Восстанавливающий момент слоя газовой смазки определяется как J8.4J : M»JtresPaM? (2.26) где М - восстанавливающий момент при угловых смещениях; Пэ - внешний радиус подпятника ; PQ - давление окружающей среды ; М - безразмерный восстанавливающий момент, определяемый выражением M =KQG, (2.27) где Кд - безразмерная угловая жесткость ; Q - относительная непараллельность рабочих поверхностей, равная разности между максимальным зазором и зазорам в центре, деленным на зазор в центре. Безразмерная угловая жесткость определяется выражением [8.4] :

Влияние неуравновешенности ротора на динамику системы

Осевой газомагнитный зазор между ротором и статором является рабочим зазором как электродвигателя так и газомагнитной опоры. При работе системы осевой зазор изменяется при пуске электродвигателя от минимальной величины (обусловленной пусковым током) до рабочей. Кроме того при случайных возмущениях вызванных например изменением нагрузки на ротор появляются осевые колебания ротора.

Осевой газомагнитный зазор определяет собственную частоту системы. Из графика рис. 3.2 видно, что колебания осевого зазора при случайном возмущении затухают относительно установившегося значения. Определим величину установившегося зазора.

Значения установившегося осевого зазора определим решением трансцендентного уравнения, получаемого из третьего уравнения системы дифференциальных уравнений (3.8) при 5Г=0 Рм _ (3.10)

Решение уравнения (ЗЛО) будем проводить графо-аналитическим методом. В виду сложности выражений газовой F и магнитной Рм сил решение будем производить с помощью ЭЦВМ типа ЕС-1022. В "Приложении 2" приводятся распечатки главной программы и подпрограмм, осуществляющих ввод исходных данных, вычисление коэффициентом, вычисление газовых и магнитных сил в функции осевого зазора и других вспомогательных подпрограмм, G помощью ЭЦВМ строились графики сил магнитного притяжения и подъемной (рис. 3.5) в зависимости от зазо-pa t, , кроме того, на графики выводилась кривая Рм&=--Ді + Ь Значения = , при которых ордината кривой PMG численно равна ординате кривой К (ординаты сравниваются по модулю), являются решениями трансцендентного уравнения (3.10). Из графиков (рис. 3.5) следует, что для одного и тогоже давления наддува может существовать два значения установившегося зазора fc и .

Однако устойчивому движению ротора соответствует только одно верхнее значение, так как при малом случайном уменьшении зазора возникает суммарная сила, направленная вверх, что приведет к увеличению зазора, а при увеличении зазора - вниз. Нижнее значение неустойчиво, так как ротор при случайном возмущении переходит либо в верхнее устойчивое положение, либо происходит удар ротора о статор.

На рис. З.б приведен график зависимости установившегося зазора от давления наддува Рн для рассматриваемой системы. Устойчивая ветвь показана сплошной линией, неустойчивая - штриховкой. Существование наряду с устойчивой также и неустойчивой ветви зависимости =ч(Рц) может приводить к тому, что при пуске ротора не удастся достичь требуемого рабочего зазора, так как при попадании ротора в область неустойчивых рабочих зазоров будет происходить удар ротора о статор, или "залипание" ротора.

Для этого на торцевую рабочую поверхность ротора необходимо нанести слой немагнитного материала, который образует различные по величине газовый и магнитный рабочие зазоры (магнитный зазор складывается из газового зазора и немагнитного слоя). Немагнитный слой гарантирует отсутствие неустойчивой области кривой Риб (левее нижнего значения см. рис. 3.5) за счет смещения кривых / 2 и РМ& влево на величину толщины немагнитного слоя.

На основании вышеприведенных теоретических исследований изменена исследуемая конструктивная схема (см.рис. 3.4).

Предложенные конструктивные решения защищены авторским свидетельством [7.16] . По авторскому свидетельству "Привод крутильного органа" № 1038390 (рис. 3.7) содержит статор 2, ротор I и газомагнитную опору с питателями 5, выполненными в магнитопроводе 3 статора, причем торцевая поверхность ротора или статора покрыта немагнитным материалом 7. На рис. 3.7, выполненном по авторскому свидетельству № 1038390 новая конструктивная схема показана в виде привода вращающегося кольца для кручения нити и ее раскладки на ните-носитель 8.

С целью приближения расчетной схемы к конструктивной введем в математическую модель (2.46) величину немагнитного слоя hH (см. рис. 3.7). Газовый зазор равен координате , а электромагнитный зазор равен _ +hH Введение немагнитного слоя накладывает особенности на выражения центрирующей силы (2.19) и силы электромагнитного притяжения ротора к статору (2.10).