Динамические и интегральные характеристики упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа

Спиридонов, Максим Викторович

Динамические и интегральные характеристики упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Спиридонов, Максим Викторович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Орел МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Динамические и интегральные характеристики упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа»

Автореферат диссертации на тему "Динамические и интегральные характеристики упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа"

На правах рукописи

Спиридонов Максим Викторович

Динамические и интегральные характеристики упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 8 НОЯ 2013

Курск-2013

005541249

Работа выполнена на кафедре «Мехатроника и международный инжиниринг» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» (г.Орёл).

доктор технических наук, профессор Савин Леонид Алексеевич

Крюков Владимир Алексеевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Проектирование механизмов и деталей машин» Тульского государственного университета

Григорьев Сергей Васильевич

кандидат технических наук, доцент кафедры «Нефтегазовое оборудование и транспортировка» Воронежского государственного технического университета

ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» г. Воронеж.

Защита состоится «12» декабря 2013 года в 10-00 на заседании диссертационного совета Д212.105.01 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета.

Автореферат разослан « 08 » ноября 2013 г.

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.105.01

Борис Владимирович Пушников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Опыт создания и эксплуатации роторных машин свидетельствует, что ресурс, надежность, массогабаритные параметры и рабочие характеристики изделий во многом определяются работоспособностью подшипниковых узлов, воспринимающих как радиальные, так и осевые нагрузки. В качестве базовых элементов осевых подшипниковых узлов могут применяться подшипники качения или скольжения (подпятники), каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки, определяющие их использование в конкретных объектах. В ряде случаев использование подшипников с жидкостным трением является практически безальтернативным, но при этом возникает проблема обеспечения их функционирования на пусковых режимах, что особенно актуально в тех случаях, когда смазка опор роторов осуществляется рабочей жидкостью, а значения давления подачи смазки зависят от режима работы. Одним из возможных вариантов технических решений, позволяющих компенсировать недостатки и использовать достоинства опор с различными видами трения, является совмещение упорных гидростатических подшипников скольжения и подшипников качения.

Проведенный автором обзор исследований в области упорных совмещенных опор выявил отсутствие опубликованных работ, направленных на теоретические и экспериментальные исследования совмещенных упорных подшипниковых узлов гидростатического типа. При этом существует объективная потребность в создании подобных подшипниковых узлов для высокоскоростных агрегатов ракетно-космической и криогенной техники, насосного и компрессорного оборудования нефтехимической и газовой промышленности, что свидетельствует об актуальности исследований упорных подшипниковых узлов, включающих гидростатический подпятник и упорный подшипник качения.

Настоящая работа выполнялась в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2012 - 2013 годы по проекту № 14.В37.21.0430 «Опоры роторов высокоскоростных турбоагрегатов летательных аппаратов, по проекту № 2010-1.1-208-076 «Ме-хатронные опоры роторов, агрегатов и машин новых поколений» на 2010-2012 годы, в рамках гранта РФФИ на 2012-2014 годы по проекту № 12-08-97601-р_центр_а «Интеллектуальные технологии создания адаптивных подшипниковых узлов роторных машин новых поколений».

Объектом исследования являются упорные совмещенные подшипниковые узлы, включающие упорные гидростатические подшипники скольжения и подшипники качения.

Предметом исследования являются динамические и интегральные характеристики упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа.

Цель исследования. Целью диссертационного исследования является совершенствование упорных узлов роторов путем комплексного теоретико-экспериментального исследования упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа на основе математических моделей и программ расчета, а также разработки рекомендаций по их проектированию.

По результатам проведения информационного поиска были поставлены следующие задачи:

1) на основе нового технического решения разработать математическую модель для определения интегральных и динамических характеристик совмещенной опоры ротора;

2) разработать программу расчета характеристик упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа;

3) провести комплекс вычислительных экспериментов по оценке влияния рабочих параметров упорного узла на его характеристики;

4) выполнить комплекс экспериментальных исследований для оценки адекватности разработанной математической модели;

5) провести сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований;

6) разработать на основе полученных результатов исследований рекомендации по проектированию упорных совмещенных опор. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1. Предложен и реализован на алгоритмическом уровне принцип структурной адаптации осевой совмещенной опоры ротора, заключающийся в возможности разделения функций подшипника качения и гидростатического подпятника на различных режимах работы в зависимости от величины давления подачи смазочного материала.

2. Разработана и численно реализована математическая модель осевого совмещенного подшипникового узла, включающего подшипник качения и гидростатический подпятник с питающими камерами, основанная на совместном решении модифицированного уравнения Рейнольдса, уравнений баланса расходов и энергий, дополнительных расчетных соотношений и контактной задачи Герца, отличающаяся учетом инерционных сил смазочного материала и угла перекоса вала относительно оси вращения, позволяющая определить несущую способность, момент трения, расход смазочного материала, потери мощности, ресурс, коэффициенты жесткости и демпфирования, а также провести качественную и количественную оценку параметров осевых колебаний вала.

3. Предложен и реализован алгоритм расчета рабочего зазора совмещенной опоры, учитывающий режимы функционирования, а также взаимовлияние силовых факторов, изменение осевого зазора в упорном гидростатическом подпятнике и деформаций подшипника качения.

4. На основе проведенных экспериментальных исследований с использованием специальной установки доказана возможность качественного повышения ресурса, несущей способности и динамических характеристик упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа за счет структурной адаптации, заключающейся в частичной разгрузке или отключения подшипника качения.

5. Выявлены на основе комплекса вычислительных и экспериментальных исследований закономерности функционирования упорных совмещенных опор гидростатического типа в виде зависимостей несущей способности, момента трения, расхода смазочного материала, потерь мощности, ресурсных характеристик и динамических коэффициен-

тов от рабочих и геометрических параметров.

Методы исследования. Расчет упорного подшипника качения базировался на стандартных методиках для данного вида опор и заключался в аналитическом решении контактной задачи теории упругости. Определение характеристик упорного подшипника скольжения основывалось на решении модифицированного уравнения Рейнольдса, численное решение которого проводилось методом конечных элементов. Расчет характеристик опор проводился на основе совместного решения уравнений контактной задачи упругости и гидродинамической теории смазки. Анализ динамических характеристик проводился путем сравнения коэффициентов жесткости и демпфирования совмещенных опор, а также анализа развертки осевых колебаний ротора.

Вычислительный эксперимент для оценки влияния рабочих и геометрических параметров упорного узла проводился с использованием программы, разработанной в среде инженерных приложений MatLab.

Экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке с использованием современной информационно-измерительной системы на базе комплектующих фирмы National Instruments и среды визуального программирования LabView.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки и формализации задач, обоснованностью используемых теоретических зависимостей, принятых допущений и ограничений, применением апробированных методов решения и анализа, что подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрением результатов в промышленность.

Практическая значимость работы и внедрение результатов заключается в том, что разработанные математическая модель, алгоритм и программа расчета позволяют определять динамические и интегральные характеристики упорных гидростатических совмещенных опор. Результаты работы внедрены при проектировании упорных узлов турбонасосов ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики», г. Воронеж.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на научно-практической конференции «Инжиниринг-2009» (г. Орел, 2009); российской научно-технической конференции, посвященной 50-летию образования кафедры «Ракетные двигатели» (г. Воронеж, 2010); XV международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии - Технология 2012» (г. Орел 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, включая 8 статей в научных сборниках и журналах, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах и изданиях, тезисы 2 докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений, имеет 180 страниц текста, 61 рисунок, 2 таблицы. Библиография включает 126 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности темы, описаны объект и предмет исследования, сформулированы цели и задачи, показаны научная новизна и практическая ценность работы, приведены сведения об апробации полученных результатов и структура диссертации.

В первой главе проведен анализ условий работы и требований к опорам высокоскоростных роторов. Выявлена потребность и обоснована возможность рационального применения в качестве осевых опор роторов совмещенных узлов, объединяющих подшипники качения и скольжения. Рассмотрены основные показатели работоспособности осевых совмещенных опор, включая такие интегральные характеристики как несущая способность, расход смазочного материала, потери мощности, ресурс, а также динамические коэффициенты жесткости и демпфирования, развертки осевых колебаний вала.

Проведен обзор технических решений и теоретических работ в области гидродинамической теории смазки и динамики роторных систем. Были рассмотрены работы авторов: Н.П. Артеменко, А.И. Белоусов, Ю.А. Равикович, В. Константинеску, М.В. Коровчинский, В.А. Максимов, О.Пинкус, В.Н. Прокопьев, Г. Риппел и др. В числе исследований по совмещенным подшипниковым узлам следует отметить работы Л.В. Горю-нова, Р.Н. Полякова, в том числе, по упорным подшипниковым узлам, работы A.A. Стручкова и С.А. Герасимова, посвященные исследованиям упорных совмещенных опор гидродинамического типа. При этом работы в области исследований упорных совмещенных опор гидростатического типа отсутствуют. В заключительной части главы обобщены объекты исследований и изложена структура проведения исследований.

Во второй главе представлено описание конструкции, принципа функционирования, расчетные схемы и основные теоретические зависимости математической модели расчета характеристик упорного совмещенного подшипникового узла гидростатического типа (рис.1). Принцип функционирования исследуемой опоры базируется на следующих положениях. При эксплуатационных режимах, когда несущая способность подшипника скольжения отсутствует или незначительна, внешнюю нагрузку воспринимает подшипник качения, при этом между подпятником и пятой присутствует зазор, что позволяет избежать механического контакта на рабочих поверхностях подшипника. При эксплуатационных режимах, когда подшипник скольжения обладает несущей способностью, не превышающей внешней нагрузки, нагрузка на подшипник качения снижается, что позволяет увеличить его ресурс и быстроходность. В случаях, когда несущая способность подшипника скольжения превышает внешнюю нагрузку, подшипник качения функционирует в режиме полного выключения. В качестве основной расчетной схемы выбран теоретический режим работы опоры, когда рабочий зазор равен монтажному.

<1 ч 1"'

о 4 '

а)

а) схема при выключенном подшипнике качения; б) основная расчетная схема; в) схема при одновременной работе подшипника качения и скольжения

Рис. 1 - Расчетные схемы подшипникового узла Предложен алгоритм расчета рабочего зазора опоры, заключающийся в поиске такого значения рабочего зазора НР , при котором сумма

реакций подшипника качения Япк и скольжения Япс равна внешней силе Япк + Япс = 177 (рис 2). Несущая способность совмещенных опор

определяется суммой реакций гидростатического подпятника и упорного подшипника качения при текущем значении рабочего зазора опоры.

И7,

(1)

Момент трения совмещенной опоры определяется суммой моментов трения ее элементов:

Мусо = Мпк +МПС

(2)

+г,м

Характеристика расхода смазочного материала для совмещенных опор равна расходу смазочного материала подшипника скольжения;

Сус V = С'«'

(3)

Суммарные потери мощности в совмещенной опоре складываются из потерь мощность на трение в подшипниках качения и скольжения, а также из потерь мощности на прокачку смазочного материала:

2. тр т/)

+ <' (4)

Рис 2 - Схема алгоритма нахождения

рабочего зазора опоры „ _

г Ресурс работы совме-

щенной опоры определяется ресурсом работы подшипника качения, ввиду наличия гарантированного зазора подпятника:

¿Г = С (5)

Жесткость в осевом направлении совмещенной опоры определяет-

ся суммой жесткостеи ее элементов:

кУСО = Кпк + кпс (6)

При определении коэффициентов демпфирования совмещенной опоры, демпфирующими свойствами подшипника качения пренебрегали ввиду их малости, поэтому коэффициент демпфирования опоры равен:

вусо = впс (7)

Во второй части главы рассматривается математическая модель расчета характеристик упорного подшипника качения, базирующаяся на решении контактной задачи теории Герца и классических допущениях. Согласно указанной теории реакция подшипника качения равна:

Япк = К™ А (8)

где К™ - коэффициент жесткости подшипника качения; Д тельное сближение колец подшипника.

К"к = п—К'31п,

относи-

(9)

где К' - коэффициент нелинейной жесткости подшипника, определяемый на основе контактной задачи Герца; - суммарная деформация тела качения; п - количество тел качения в подшипнике.

Значение момента трения определяется на основе эмпирических зависимостей предложенных фирмой ЭКГ.

(10)

где М™ - общий момент трения ПК; Мп - момент трения качения; Мл -момент трения скольжения; М1Ьщ - момент трения, обусловленный сопротивлением смазки, взбалтыванием, разбрызгиванием и прочим.

В заключительной части главы представлена математическая модель расчета характеристик упорного гидростатического подшипника скольжения с питающими камерами. Расчет характеристик базируется на основе численного интегрирования полей давления полученных в результате совместного решения методом конечных элементов системы уравнений модифицированного уравнения Рейнольдса (11), баланса расходов (12) и энергий (13). Особенностью данной системы является составляющая, учитывающая силы инерции смазочного слоя в трехмерной постановке. Расчетные схемы подшипника скольжения учитывают перекос вала относительно подпятника и наличие конфузорных поверхностей на поверхности пяты (рис 3).

гдг

рА др цКг дг

г2д ф

рк др Он

= 12а>

р г И

гдг

40ц

бсо—(рА)-12р|/_ (11)

5ф

где р и // - плотность и вязкость смазочного материала; р - давление смазочного материала; ш - скорость вращения вала; скорости

потока жидкости в окружном и радиальном направлении; V. - скорости

точек на поверхности пяты в осевом направлении; Кг,Кц -

коэффициенты турбулентности; Л - функция осевого зазора; <2я -

расход смазочного материала через жиклер, Qr,Q<S),Qz - расход смазки в

радиальном, окружном и осевом направлениях; Г — абсолютная температура; ср -удельная теплоемкость смазочного материала.

Функция осевого зазора для указанной схемы имеет вид:

/?(г, ф) = /¡о + гсоэф tgYЛ■ + '"эшф tgYr +

если г < Rein

h"" (r,<s>) = (r-Rin)

Исіп

Rein - Rin

-~hcin +

■,ф) = о

если г > Rcout

hCül" (r,4>) = (Rcout-r)

Исош

Rout - Rcout

'('■><p) = o

,(14)

Рис. 3 - Расчетная схема подшипника скольжения

где ух - угол между плоскостью подпятника и плоскостью торца вала в плоскости ф = 0; уу - угол между плоскостью подпятника и плоскостью торца вала в плоскости <р = л/2.

Также в разделе представлены результаты вычислительного эксперимента по влиянию рабочих параметров гидростатического подпятника на его характеристики. Согласно данным расчетам несущая способность подшипника скольжения с гладкой пятой при увеличении скорости вращения снижается, что обусловлено действием центробежных сил инерции. Наличие конфузорной поверхности на внешней стороне подпятника позволяет снизить влияние центробежных сил инерции смазочного слоя и увеличить несущую способность подшипника.

В третьей главе представлены результаты вычислительного эксперимента интегральных характеристик совмещенной опоры. При проведении вычислительных экспериментов были рассмотрены различные комбинации условий работы и модификаций элементов совмещенной опоры.

Результатами вычислительного эксперимента являются графики распределения нагрузки между элементами опоры, изменения рабочего

зазора, момента трения, расходов смазочного материала, потерь мощности на трение и ресурса. По результатам вычислительного эксперимента были сделаны следующие выводы.

Совмещенные опоры, включающие в свой состав упорные подшипник качения и гидростатический подшипник скольжения, позволяют обеспечить функционирование упорного подшипника скольжения в режимах жидкостного трения, когда его одиночная постановка неработоспособна. На рисунке 4 представлены графики распределения нагрузки опоры и изменения рабочего зазора при переменном давлении подачи смазочного материала. На рисунках 4-7 приняты следующие обозначения: и . гарантированный зазор 10 мкм; о - гарантированный зазор 20 мкм; □ - гарантированный зазор 30 мкм; * - гарантированный зазор 40 мкм.

ю-'

- -!-»*-г- і

"ТЧГГ І

"Г * ? .....Г Гз .і.....і^г^ГП

......г і

.....І.....г >4^. : : А N 4--0..] ! і

------:..... =..... і і в—? +—*

ю-

!Л зазор (¡рн П,

() и,2 0.4 0,0

4,8 1.0 іяіі вршцеш):

1.8 2.0 10'

а) график распределения нагрузки

б) график рабочег о зазора

Рис. 4 - Графики изменения распределения нагрузи и рабочего зазора На рисунке 5 представлены графики изменения момента трения для легконагруженной и тяжелонагруженной совмещенной опоры. Из графиков видно, что существуют такие режимы работы опоры, когда ее момент трения будет меньше моментов трения подшипника качения и скольжения в одиночной постановке. Расход смазочного материала совмещенной опоры (рис.6) для всех рабочих режимов опоры имеет тенденцию к увеличению.

а) легконагруженный режим б) тяжелонагруженный режим

Рис. 5 - Гоафики изменения момента трения совмещенной опоры Использование совмещенной опоры позволяет значительно повысить ресурс подшипникового узла и элементов входящих в ее состав

и,2 0.4 0,0 0,8 1.0 (.2 1.4 1>6 1.8 2,0 Часгити цршцешм, об/МІШ

О 0,2 0,4 0.0 0.8 1.0 1.2 1,4 1.6 1.8 2.0 Частіші вращения, об/мин

а) легконагруженный режим б) тяжелонагруженный режим

Рис. 6 - Графики изменения расхода смазочного материала

(рис. 7). Увеличение ресурсов связано с наличием гарантированного зазора в подшипнике скольжения и снижением нагрузки на подшипник качения.

О 0,2 и А 0,6 и,8 |,0 1.2 |,4 І.6 1,8 2,и Чистота крашения, об/мим 10

0 и,2 0,4 0,0 0.8 1,0 1,2 1,4 1,0 I,» 2,0 Частота вращении, об/мин 10

Чистота вращения, об/мип

1.0 1,5

Частота вращении, об/мин

а) постоянный режим подачи смазки б) переменный режим подачи смазки

Рис. 7 -Графики изменения ресурса и расхода совмещенной опоры Во второй части третьей главы представлены результаты анализа динамических характеристик опоры. На рисунке 8 представлена динамическая модель рассматриваемой опоры. Динамическая модель жесткого

ротора, нагруженного в осевом направлении, опирающегося на осевой совмещенный подшипниковый узел и жестко ограниченного в радиальном направлении (перемещения и колебательный процесс в радиальных направлениях не рассматривался), можно представить в виде одномассового одно-степенного осциллятора, в котором колебания системы происходят под действием внешних и массовых сил, а также реакций подшипников качения и скольжения.

Уравнение движения ротора в осевом направлении имеет вид:

с{г1

т.-г

Ж2

Рис. 8. Динамическая модель

- = Я

(15)

где тв - масса вала; г - перемещения вала в осевом направлении; Л., Г, - составляющая реакций опоры и внешней нагрузки на опору.

Численное интегрирование уравнения движения проводилось с использованием 4-х шагового метода Адамса-Башфорта. Для расчета стартовых четырех точек применялся метод Эйлера.

Проведенные вычислительные эксперименты показали, что применение упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа позволяет снизить амплитуду колебаний вала в результате динамических нагрузок и уменьшить период затухания колебаний по сравнению с одиночной постановкой подшипника качения (Рис.9).

а) коэффициент жесткости б) коэффициент демпфирования

о - гарант, зазор 20 мкм; □ - гарант, зазор 30 мкм; * - гарант, зазор 40 мкм. Рис. 10 - Графики изменения коэффициентов жесткости и демпфирования при постоянном давлении подачи смазочного материала

111)12 Время, с

Рис. 9 Развертки осевых колебаний вала при импульсном воздействии Расчет коэффициентов жесткости и демпфирования опоры для постоянного и переменного режимов подачи давления смазочного материала выявил, что для совмещенных опор коэффициент жесткости выше, по сравнению с одиночными постановками подшипника качения и скольжения (Рис. 10а), а коэффициент демпфирования ниже, в сравнении с одиночной постановкой упорного гидростатического подшипника скольжения. (Рис. 106).

В четвертой главе представлено описание экспериментальных исследований совмещенной опоры и результаты сравнительного анализа теоретических и экспериментальных исследований. Модельный эксперимент проводился на базе экспериментального комплекса, состоящего из подшипниковой установки и информационно-измерительной системы. Подшипниковая установка представляет собой массивное основание, закрепленные в нем электродвигатель, корпус радиальных опор, корпус совмещенной опоры и система подачи смазочного материала (вода) (Рис.11). Экспериментальный стенд позволяет проводить исследования в диапазоне скоростей от О до 10000 об/мин при осевом нагру-жении от 50 до 150 Н.

Основой информационно-измерительной системы является многофункциональная плата National Instruments, позволяющая обеспечить ввод-вывод сигналов, оцифровку и отработку команд для управления силовыми модулями. Сравнение теоретических и экспериментальных данных проводилось на основе полученных данных величины осевого зазора совмещенной опоры функционирующей в установившемся режиме вращения. На рисунке 12 представлены результаты сравнительного анализа теоретических и экспериментальных исследований опоры при постоянном давлении подачи смазочного материала. Обозначенные результаты показывают удовлетворительное согласование экспериментальных данных с теоретическими, в пределах от 3 до 8%.

Рис. 11 - Схема экспериментального стенда

U,4 0,6 и.«

Частота воашения. об/мин

10J

Рис. 12 - Результаты сравнительно го анализа эксперимента и теории

В пятой главе представлены общие рекомендации по использованию и проектированию упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа. Представлен алгоритм проектирования и расчета исследуемых опор, основной задачей которого является выбор наиболее рациональных параметров опоры согласно заданным условиям эксплуатации. Основой для расчета характеристик и выбора рациональных параметров опоры является разработанная прикладная программа (Рис. 13), описание которой представлено во второй части пятой главы. Заключение и выводы по работе В ходе диссертационного исследования автором на основе нового технического решения, разработанной математической модели и предложенной методики расчета были проведены комплексные теоретико-экспериментальные исследования интегральных и динамических характеристик упорных совмещенных подшипниковых узлов роторов гидростатического типа. При проведении исследований были выполнены все поставленные задачи и получены следующие результаты:

2. Разработана и численно реализована математическая модель осевого совмещенного подшипникового узла, включающего подшипник качения и гидростатический подпятник с питающими камерами различной конфигурации, основанная на совместном решении модифицированного уравнения Рейнольдса, уравнений баланса расходов и энергий, дополнительных расчетных соотношений и контактной задачи Герца, отличающаяся учетом инерционных сил смазочного материала и угла перекоса вала относительно оси вращения, позволяющая определить несущую способность, момент трения, расход смазочного материала, потери мощности, ресурс, коэффициенты жесткости и демпфирования, а также провести качественную и количественную оценку параметров осевых колебаний вала.

ПРОГРАММА РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК УПОРНЫХ СОВМЕЩЕННЫХ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ТИПА

Геометрические параметры опоры

число камер л

окружная ширина <——; камео

радиальная длина —¡^—г н

камер :..........

длиня жиклера : о 005 м диаметр жиклера ' ооет 1 м угол перекосе | :

вала ТХ

угол перекоса .—^ | аап» 7У

Рабочие параметры опоры

скорость Вращения внешняя сила

вала

Рис. 13 - Интерфейс программы расчета

гидростатическом подпятнике и деформаций подшипника качения.

4. На основе проведенных экспериментальных исследований с использованием специальной установки доказана возможность качественного повышения ресурса, несущей способности и динамических характеристик за счет структурной адаптации, заключающейся в частичной разгрузке или отключения подшипника качения.

6. Сформирован комплекс практических рекомендаций по выбору рабочих параметров опоры и разработан практический инструментарий проектирования в виде программы расчета характеристик упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа.

7. Выявлено, что применение упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа позволяет достигнуть следующих результатов:

• обеспечить функционирование гидростатического подпятника, когда его одиночная постановка неработоспособна;

• снизить величину действующей нагрузки на упорный подшипник качения до 100% в составе совмещенной опоры, что позволяет увеличить его быстроходность по сравнению с одиночной постановкой;

• снизить момент трения подшипникового узла по сравнению с одиночной постановкой подшипников качения и скольжения от 5 до 30%;

• применение совмещенной опоры приводит к увеличению расхода смазочного материала от 10 до 100%;

• значительно увеличить ресурс подшипникового узла и элементов входящих в ее состав за счет перераспределения внешней нагрузки;

• увеличить коэффициент жесткости опоры по сравнению с одиночными постановками подшипника качения и скольжения;

• снизить демпирующие способности опоры в сравнении с одиночной постановкой упорного гидростатического подшипника скольжения;

• обеспечить демпфирующую способность опоры по сравнению с одиночной постановкой подшипника качения;

• снизить амплитуду колебаний вала в результате динамических нагрузок и уменьшить период затухания колебаний по сравнению с одиночной постановкой подшипника качения.

• наиболее эффективное применение упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа возможно в случаях переменного давления подачи смазочного материала.

В приложениях рассматриваемой работы представлены листинг программы расчета, а также копия акта о внедрении.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях: 1. Спиридонов, М.В. Расчет несущей способности, момента трения и ресурса совмещенной опоры, включающей упорный гидростатический подшипник скольжения и осевой шарикоподшипник [Текст] / М.В. Спиридонов, A.A. Стручков, Л.А. Савин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии №6-2 (296). - 2012 - С.91 - 98.

2. Спиридонов, M.B. Расчет гидростатического упорного подшипника скольжения с учетом перекоса вала и центробежных сил инерции смазочного слоя [Текст]/ М.В. Спиридонов // Известия Юго-Западного государственного университета №1. -2013. -С.95-102.

3. Спиридонов, М.В. Влияние перекоса вала и центробежных сил инерции смазочного слоя на несущую способность упорных гидростатических подшипников скольжения [Текст] / М.В. Спиридонов // Мир транспорта и технологических машин №2 (41). - 2013 - С.3 - 8.

4. Спиридонов, М.В. Динамические характеристики упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа [Текст] / М.В. Спиридонов, Л.А. Савин, М.В. Майоров, A.A. Стручков, // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии №3-2 (299). - 2013 - С.14 - 17.

Другие публикации:

5. Гончаров, М.А. Комбинированные опоры адаптивного типа [Текст] / М.А. Гончаров, М.В. Спиридонов // Инжиниринг-2009: сб. науч. тр. Региональной науч.-практической конференции - Орел, «Издательский дом «Орловская литература и книгоиздательством К», 2009. - с. 166-171.

6. Базлов, Д.О. Моделирование переменного зазора подшипника скольжения в комбинированной опоре с неравножесткой втулкой [Текст] / Д.О. Базлов, М.В. Спиридонов // Инжиниринг-2009: сб. науч. тр. Региональной науч.-практической конференции - Орел, «Издательский дом «Орловская литература и книгоиздательство и К», 2009. - с. 268-270.

7. Герасимов, С.А. Экспериментальный стенд для исследования упругодемпферных совмещенных опор осевого типа [Текст] / С.А. Герасимов, Л.А. Савин, A.A. Стручков, М.В. Спиридонов // Тезисы Российской научно-техн. конференции, посвященной 50-летию образования кафедры «Ракетные двигатели» (29-30 окт. 2010г., Воронеж). - Воронеж: ВГТУ, 2010 - С.222 -224.

8. Спиридонов, М.В. Моделирование высокоскоростных упорных гидростатодинамических комбинированных опор [Текст] // Управляемые вибрационные технологии и машины: сб. науч. ст.: в 2 ч. 4.1 / редкол.: С.Ф. Яцун (отв. ред.); Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2012.-е. 251-257.

9. Савин, Л.А. Экспериментальные исследования упорных гидростатических комбинированных опор [Тезисы доклада] /Л.А. Савин, М.В. Спиридонов, A.A. Стручков // Тезисы XV международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии - Технология 2012» (05-08 июня. 2012г., Орел). - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012 -С.316-317.

10. Савин, Л.А. Автоматизированная система научных исследований упорных комбинированных подшипниковых узлов [Тезисы доклада] /Л.А. Савин, М.В. Спиридонов, A.A. Стручков // Тезисы XV международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии - Технология 2012» (05-08 июня. 2012г., Орел). - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012 - С.316 - 317.

Подписано в печать 07.11.2013 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 122 Юго-Западный государственный университет 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94 Отпечатано в ЮЗГУ

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Спиридонов, Максим Викторович, Орел

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ — УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС

На правах рукописи

Спиридонов Максим Викторович

ДИНАМИЧЕСКИЕ И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УПОРНЫХ СОВМЕЩЕННЫХ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ТИПА

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

ДИССЕРТАЦИЯ

НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Савин Л.А.

Орёл-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ..........3

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................6

1. УПОРНЫЕ СОВМЕЩЕННЫЕ ПОДШИПНИКОВЫЕ УЗЛЫ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................................12

1.1 Анализ подшипниковых опор роторных машин.............................12

1.2 Обзор исследований в области совмещенных опор........................18

1.3 Объект и структура исследования ...........................................26

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ УПОРНЫХ ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ СОВМЕЩЕННЫХ ОПОР.................................................................31

2.1 Математическая модель расчета характеристик упорных гидростатических совмещенных опор.................................................................31

2.2 Математическая модель расчета упорного подшипника качения......39

2.3 Математическая модель расчета упорного гидростатического подшипника скольжения..........................................................................50

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УПОРНЫХ ГИДРОСТА-

ТИЧЕСКИХ СОВМЕЩЕННЫХ ОПОР...........................................82

3.1 Несущая способность, ресурс, момент трения и расход смазочного материала.......................................................................................82

3.2 Динамические характеристики..................................................97

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УПОРНЫХ ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ СОВМЕЩЕННЫХ ОПОР..............................107

4.1 Описание экспериментального стенда.......................................107

4.2 Постановка и планирование модельного эксперимента.................115

4.3 Обработка результатов эксперимента и сравнительный анализ.......118

5. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УПОРНЫХ СОВМЕЩЕННЫХ ОПОР......................................................................................122

5.1 Рекомендации по проектированию упорных совмещенных опор.....122

5.2 Программное обеспечение для расчета.....................................129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................134

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ А Листинг основных расчетных модулей программы......150

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акт внедрения....................................................180

Условные обозначения, индексы и сокращения

1. Сокращения:

ИИС - информационно-измерительная система; ПК - подшипник качения; ПС - подшипник скольжения; УСО - упорная совмещенная опора;

NASA, USA - National Aeronautics and Space Administration (Национальное

агентство авиационной и космической промышленности, США); SKF - машиностроительная компания, производитель подшипников, уплотнений, систем смазки и мехатроники; 3D — трехмерное изображение.

2. Кинематические параметры и координаты: X, Y, Z- декартовы оси системы координаты;

г, ф, Z - радиальная, окружная и осевая координаты; со - угловая скорость ротора;

vr, уф, vy - проекции вектора скорости потока смазочного материала; Vr, Vy, ^z - скорости точки на поверхности цапфы.

3. Геометрические и рабочие параметры: Rout~ радиус внешней окружности;

Rin - радиус внутренней окружности;

Rout Н, Rin Н- радиус внешней и внутренней окружности камер; Rch- радиус средней окружности камер; d// — диаметр жиклера;

Rcout~ радиус окружности внешнего конфузора; Rcin - радиус окружности внутреннего конфузора;

Ъс1П - высота внутреннего конфузора;

ИсоШ- высота наружного конфузора;

Он - рабочий угол одной камеры;

к0- номинальный осевой зазор;

к(г, ф) - функция полного осевого зазора;

кр - рабочий зазор совмещенной опоры;

кр - гарантированный зазор совмещенной опоры;

кд^ - монтажный зазор совмещенной опоры;

г - число тел качения;

гж - радиус желоба дорожки качении;

/? - угол контакта тела качения с внутренним и наружным кольцом;

т, Е- модуль Пуассона и модуль упругости;

ру - кривизна поверхности /-го тела ву-ой плоскости;

р - плотность;

тш - масса шарика;

Я - реакция;

К - коэффициент нелинейной жесткости подшипника качения; б - деформация тела качения; п - частота вращения вала; Ьк - ресурс;

Ух ~ угол между плоскостью подпятника и плоскостью торца вала в плоскости ф = 0;

у у - угол между плоскостью подпятника и плоскостью торца вала в плоскости ф = 71/2; £ - время;

t0 - характерное время, равное периоду одного оборота; Аг, Аф и А/ - шаги размерной и временной сеток.

4. Силовые факторы:

Ра - внешняя осевая нагрузка на подшипник качения;

- внешняя осевая нагрузка на совмещенную опору; С0 - статическая грузоподъемность подшипника качения; Сд — динамическая грузоподъемность подшипника качения; £1т и Qv- массовый и объемный расход смазочного материала; ТУ- потери мощность; Мтр - момент трения;

Мгг - момент трения качения;

Мв1 - момент трения скольжения подшипника качения; Ма - момент трения, обусловленный сопротивлением смазки, взбалтыванием, разбрызгиванием в подшипнике качения; Ж— несущая способность; К'г, - коэффициенты жесткости ПК; К2 - коэффициенты жесткости смазочного слоя; В2 - коэффициенты демпфирования смазочного слоя; Р — давление подачи смазочного материала; Куу - коэффициент разгрузки совмещенной опоры.

5. Термодинамические и теплофизические параметры: Т- температура;

р - плотность; ц - вязкость.

6. Безразмерные комплексы: Яе - число Рейнольдса;

Кп К(? - коэффициенты турбулентности.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Опыт конструирования и эксплуатации роторных машин показывает, что ресурс агрегатов, их надежность, массогабаритные характеристики и достигаемый уровень рабочих параметров во многом определяется работоспособностью и характеристиками подшипниковых узлов. В том числе и работоспособностью упорных подшипниковых узлов, обеспечивающих компенсацию внешних и внутренних осевых нагрузок агрегата. Проектирование упорных узлов роторных машин в настоящее время базируется на применении подшипников качения или скольжения. Каждая из приведенных видов опор обладает рядом достоинств и недостатков, определяющие их использование в конкретных подшипниковых узлах машин. В частности, для компенсации осевых нагрузок в роторных машинах нашли свое применение гидростатические подшипники скольжения, обеспечивающие режим жидкостного трения на протяжении всего цикла работы машины за счет принудительной подачи смазочной жидкости в рабочий зазор. При этом для агрегатов, где смазка подшипниковых опор осуществляется рабочей жидкостью, а значения давления подачи смазочной жидкости в рабочий зазор изменяются от нуля до максимального значения в зависимости от текущего режима работы машины (скорости вращения ротора), применение гидростатических подшипников скольжения ограничено ввиду невозможности обеспечения жидкостного режима трения в опоре на протяжении всего цикла работы машины. Применение подшипников качения также имеет ограничения связанные в первую очередь с их быстроходностью и ресурсом.

Одним из возможных относительно несложных технических решений в области проектирования упорных узлов роторных машин, смазываемых рабочей жидкостью, позволяющих компенсировать недостатки и использовать достоинства известных опор, является совмещение упорных гидростатических подшипников скольжения и подшипников качения.

Проведенный автором анализ конструкторских решений и опублико-

ванных работ в области исследования упорных гидростатических совмещенных опор показал, что большинство конструкторских решений в области совмещенных опор базируются на гидростатических подшипниках скольжения, но при этом отсутствуют теоретические работы по расчету гидростатических совмещенных опор, позволяющие оценить рабочие характеристики опоры. Теоретические исследования совмещенных опор рассматривают подшипниковые узлы, включающие гидродинамические подшипники скольжения. Вышесказанное позволяет сделать вывод о недостаточной освещенности теоретических исследований упорных гидростатических совмещенных опор. Таким образом, исследование в области динамических и интегральных характеристик упорных гидростатических совмещенных опор являются актуальными.

Настоящая работа выполнялась в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2012-2013 годы по проекту № 14.В37.21.0430 «Опоры роторов высокоскоростных турбоагрегатов летательных аппаратов, по проекту № 2010-1.1-208-076 «Мехатронные опоры роторов, агрегатов и машин новых поколений» на 2010 - 2012 годы, в рамках гранта РФФИ на 2012-2014 годы по проекту № 12-08-97601-р_центр_а «Интеллектуальные технологии создания адаптивных подшипниковых узлов роторных машин новых поколений».

узлов гидростатического типа на основе математических моделей и программ расчета, а также разработки рекомендаций по проектированию данного вида опор.

По результатам проведения информационного поиска были поставлены следующие задачи:

2) разработать программное обеспечение для расчета характеристик упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа;

5) провести сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований;

6) разработать на основе полученных результатов исследований рекомендации по проектированию упорных совмещенных опор.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

тактной задачи Герца, отличающаяся учетом инерционных сил смазочного материала и угла перекоса вала относительно оси вращения, позволяющая определить несущую способность, момент трения, расход смазочного материала, потери мощности, ресурс, коэффициенты жесткости и демпфирования, а также провести качественную и количественную оценку параметров осевых колебаний вала.

Методы исследования. Расчет упорного подшипника качения основывался на аналитическом решении контактной задачи теории упругости (задача Герца), а также на эмпирических и стандартных методиках принятых для данного вида опор. Определение характеристик гидростатического подпятника основывалось на совместном решении модифицированного уравнения Рейнольдса, уравнений баланса расходов и энергий, численное реализация которых была выполнена с использованием метода конечных элементов.

Расчет совмещенных опор проводился путем совместного решения уравнений гидродинамической теории смазки и контактной задачи упругости. Анализ динамических характеристик проводился путем сравнения коэффициентов жесткости и демпфирования совмещенных опор, а также анализа развертки осевых колебаний ротора.

Проведение вычислительных экспериментов по оценки влияния рабочих и геометрических параметров подшипникового узла базировалось на разработанном в среде инженерных приложений MatLab программном обеспечении.

Экспериментальные исследования проводились на базе модернизированной экспериментального комплекса, включающего электро-гидро-механический стенд и информационно-измерительную систему на базе комплектующих фирмы National Instruments и программного обеспечения LabView.

Практическая значимость работы и внедрение результатов заключается в том, что разработанные математическая модель, алгоритм и программа расчета позволяют определять динамические и интегральные характеристики упорных совмещенных подшипниковых узлов гидростатического типа. Результаты работы внедрены и используются при проектировании упорных узлов турбонасосов ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики», г. Воронеж.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались

на научно-практической конференции «Инжиниринг-2009» (г. Орел, 2009); российской научно-технической конференции, посвященной 50-летию образования кафедры «Ракетные двигатели» (г. Воронеж, 2010); XV международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии - Технология 2012» (г. Орел 2012).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений, имеет 180 страниц основного текста, 61 рисунок, 2 таблицы. Библиография включает 126 наименований.

Глава 1. Упорные совмещенные подшипниковые узлы как объект исследования

1.1 Анализ подшипниковых опор роторных машин

Неотъемлемой частью большого класса машин ракетной техники, газовой и нефтяной промышленности, авиа-и автомобилестроения, энергетической и транспортной промышленности являются устройства, предназначенные для преобразования энергии и совершения полезной работы [108]. Как правило, такие устройства относятся к классу роторных машин и выполнены в виде насосов, компрессоров, детандеров, турбин и прочих агрегатов. Ввиду того, что роторные машины в общем виде представляют собой ротор с рабочими элементами, установленный в опорах, роторно-опорные подшипниковые узлы являются объектом повышенного внимания при проектировании данного класса машин и во много определяют их эксплуатационные характеристики. Так как в процессе работы роторной машины возникают как радиальные, так и осевые нагрузки, то в качестве опорных узлов в ее составе используются радиальные, упорные и радиально-упорные подшипниковые узлы.

Возникновение осевых нагрузок на опорные узлы в турбомашине продиктовано в первую очередь разностью давлений в полостях насосов, турбины и уплотнений, а также внешними нагружающими факторами [68, 72]. При этом в процессе работы машины, ввиду конструктивных и функциональных особенностей машины, осевая нагрузка может существенно меняться во времени и достигать значений, значительно �