Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Вопросы снижения їибраций, возбуждаемых вращающимися роторами и имеющих частоту первой роторной гармоники (роторных вибраций), относятся к числу наиболее важных при создании и эксплуатации таких изделий, как авиационные двигатели, турбогенераторы, компрессоры и многих других. Уровень роторных вибраций в значительной степени определяет прочность, эксплуатационную надежность и акустическую активность этих высокотехнологичных изделий и служит одним из наиболее объективных.показателей совершенства их конструкции, технологии изготовления и степени конкурентноспособности. Предельно допустимое значение вибраций оговаривается в технических требованиях на изделия, причем особо ответственные агрегаты оснащаются контрольно-измерительными комплексами и системами автоматической остановки з тех случаях, когда уровень вибраций превышает допустимый. Потери,возникающие при таких остановках, часто оказываются недопустимо большими. В то же время огромная работа, направленная на решение указанной проблемы на стадии проектирования или доводки, оказывается недостаточно эффективной, поскольку при сложившейся практике она проводится без достаточного учета реально действующих дисбалансов - главного источника вибраций роторных машин; соответственно возрастают объемы доводочных и экспериментальных работ и время, необходимое для создания новых изделий.
Учитывая это и исходя из полученных к настоящему времени результатов, данная диссертация служит решению важной народнохозяйственной задачи - снижению вибраций роторных маяин. ЦЕЛЬ РАБОТЫ - снижение вибрационной активности роторных машин за счет совершенствования расчетных методов проектирования и оптимизации динамических характеристик, совершенствования и оп-
типизации процессов балансировки роторов на базе вероятностных анализа неуравновешенности и прогнозирования дисбалансов, совершенствования, средств и методов демпфирования роторных вибраций. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Установить законы распределения дисбалансов.
-
Разработать методики вероятностной оценки дисбалансов, воз-никающих в результате случайных погрешностей механической обработ ки,гсборки и в условиях эксплуатации роторных систем.
-
Определить условия уравновешенности гибких роторов, инвариантные к параметрам жесткости или демпфирования на опорах.
-
Выполнить сравнительное исследование различных методов балансировки гибких роторов с учетом реальной, т.е. вероятностной природы дисбалансов, жесткости и демпфирования роторных опор, а также случайных погрешностей балансировки и определить, таким образом, оптимальные условия уравновешенности в наиболее характерном для современного машиностроения диапазоне частот.
-
Разработать методики оценки требуемой точности высокочастотной балансировки гибких роторов.
-
Разработать и внедрить высокоэффективные методы низкочастотной балансировки гибких роторов.
-
Разработать методики вероятностной оценки эффективности и оптимизации низкочастотной балансировки.
8о Разработать и внедрить новые, более эффективные конструкции упруго-демпфирующих опор и соответствующие методы расчета.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые установлен закон распределения дисбалансов роторных систем. Показано, что множество процессов, связанных с образованием дисбаланса, сводится к трем основным схемам суммирования случайных компланарных векторных величин,
каждая из которых приводит к распределению Релея. Разработаны иатодики вероятностного расчета дисбалансов, возникающих вследствие погрешностей механической обработки, сборки и в условиях эксплуатации» Определены области и методы применения данной информации при решении комплекса конструкторских и технологических задач по сниаению вибраций роторных машин. Впервые вероятностные методы вводятся в практику проектирования и исследования динамики роторных машин при решении вопросов, связанных с оценкой предельных уровней возбуждающих нагрузок от дисбалансов, расчетом и оптимизацией амплитудно-частотных характеристик, инженерным обеспечением и оптимизацией процессов балансировки и других.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Выполненные в диссертации исследования направлены на повышение уровня проектных и конструкторских и, соответственно, сокращение объемов доводочных работ по обеспечению вибрационной надежности авиационных газотурбинных двигателей, энергетических агрегатов и других высокотехнологичных роторных машин.
Были разработаны методики вероятностного анализа и расчета начальных дисбалансов, возникающих вследствие случайных погрешностей механической обработки и сборки роторов. Выявлены процессы, приводящие к образованию эксплуатационного дисбаланса отдельных типов роторов, а такне аэродинамического дисбаланса, связанного со случайными погрешностями изготовления рабочих лопаток и дисков компрессоров и турбин. Определены условия уравновешенности гибких роторов, инвариантные к параметрам жесткости или демпфирования на опорах. Выполнено сравнительное исследование различных методов балансировки с учетом реальной, т.е. вероятностной природы дисбалансов,податливости и демпфирования опор,и случайных погрешностей балансировки. Предложены высокоэффективные методы низкочастотной балансировки гибких роторов.
Разработаны методики оптимизации и оценки эффективности низкочастотной балансировки, а также определения необходимой точности шсокочастотной балансировки. Разработаны конструкция высокоэффективного пластинчатого (гофрированного) демпфера для гашения роторных вибраций и соответствующие методы расчета.
Ряд предложенных методик и разработок прошли практическую проверку на ЩО "Труд", СШІ0 им. М.В.Фрунзе, СКШ (г.Самара), Го-сударственноы машиностроительном заводе им. В.Я.Климова (г.Санкт-Петербург), П.О. "Азотреммаш" (г.Тольятти).
Развитые е работе представления об исследовании и применении вероятностных характеристик возбуждающих нагрузок, связанных с дисбалансом, позволяют повысить роль и значение расчетных методов проектирования и, соответственно, сократить объемы и сроки доводочных работ по обеспечению вибрационной надежности роторных машин.
-
Множество процессов, связанных с образованием дисбалансов, сводятся к трем осноеным схемам суммирования случайных компланарных вектороЕ, причем модуль суммарного Еектора, определяемый по каждой из этих схем, а, следовательно, и сами дисбалансы подчиняются распределению Релея.
-
Методики вероятностного расчета дисбалансов, основанные на распределении Релея, приводят к результатам, удовлетворительно согласующимися с данными эксперимента, в могут быть рекомендованы для практического применения.
-
Ь соответствии с требованиями технологии и эксплуатации эффективность балансировки гибких роторов должка быть инвариантной по отношению к параметрам жесткости или демпфирования на оао-
pax изделия; данному требованию отвечают классические методы балансировки (по собственным формам изгиба или по коэффициентам влияния), дополненные условиями уравновешенности недеформируе-мых (жестких) роторов. " 4. Решение комплекса актуальных вопросов теории и практики балансировки гибких роторов на базе вероятностных анализа Неуравновешенности и расчета дисбалансов: методика численного анализа эффективности различных методов балансировки; расчет предельно допустимых значений остаточных реакций при высокочастотной балансировке (обоснование требуемой точности уравновешивания); методика оптимизации низкочастотной балансировки с привлечением метода ЛП - поиска; методика вероятностной оценки эффективности низкочастотной балансировки.
-
Метод высокоэффективной низкочастотной балансировки гибких роторов с частичным устранением неуравновешенностей по 1-а или по 1-й и 2-й собственным формам изгиба ротора на жестких опорах.
-
Конструкция высокоэффективного демпфера для гашения роторных вибраций и соответствующие методы расчета. Выявлены важные особенности динамики роторных машин при демпфировании, представленном двумя составляющими сил сопротивления: постоянной и линейно зависящей от деформации. Указываются значение пороговой частоты, определяющей область устойчивой работы, и оптимальное значение постоянной составляющей силы сопротивления, непосредственно связанных с уровнем дисбалансов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ, Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуядались на Совещении по современным вопросам динамики гибких роторов (Москва, Государственный НИИ Машиноведения, 1968 г.); Всесоюзной научно-техническом конференции "по применению современных методов и средств уравновешивания машин и
8 приборов (Москва, 1970 г.);' У Всесоюзной научно-технической конференции по применению современных методов и средств уравновешивания машин и приборов (Тольятти, 1973 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Современные методы и средства уравновешивания машин и приборов" (Волгоград, 1979 г.);"Всесоюзной научно-технической конференции "Современные методы и средства уравновешивания машин и приборов" (Москва, 1983 г.); ХУ Национальном -семинаре по динамике механических систем (НРБ, г.Варна,1990г.); Международной научно-технической конференции "Снижение вибраций машин путем уравновешивания" (Г.Хмельницкий, 1992 г.); на заседании секции уравновешивания Центрального правления научно-технического общества приборостроительной промышленности (Москва, МАИ, 1993 г.).
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 30 работ, в том числе 9 авторских свидетельств на изобретения и одна монография.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов по работе. Она содержит 267 страниц машинописного т"екста, в том числе 26 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 118 наименований.
