Повышение динамических качеств и ресурса опорных узлов роторов совмещением подшипников качения и скольжения

Поляков, Роман Николаевич

Автореферат диссертации на тему "Повышение динамических качеств и ресурса опорных узлов роторов совмещением подшипников качения и скольжения"

На правах рукописи

Ж

Поляков Роман Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ И РЕСУРСА ОПОРНЫХ УЗЛОВ РОТОРОВ СОВМЕЩЕНИЕМ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ И СКОЛЬЖЕНИЯ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орёл - 2005

Работа выполнена в Орловском государственном техническом университете

Официальные оппоненты. доктор технических наук, профессор

Горюнов Лев Васильевич;

Защита состоится « 26 » мая 2005 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.182.03 при Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 22 » апреля 2005 г.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Савин Леонид Алексеевич.

кандидат технических наук, доцент Лушников Борис Владимирович.

Ведущая организация: ОАО «Конструкторское бюро химической

автоматики», г. Воронеж.

Ученый секретарь диссертационного <

з

¿03 4/ГУ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Надежная работа машин зависит от способности деталей и узлов выполнять свои функции. В роторных машинах одним из основных элементов, определяющим работоспособность всей машины, является опорный узел. В зависимости от условий работы и эксплуатационных параметров в качестве опор роторов используются подшипники качения, скольжения и электромагнитные опоры. Применение подшипников качения (ПК) для высоких скоростей вращения предъявляет к ним повышенные требования по точности изготовления, конструктивным особенностям, материалам и смазкам. Поэтому в высокоскоростных роторных машинах находят широкое применение подшипники скольжения (ПС), смазываемые рабочими жидкостями, которые практически не ограничены по предельной быстроходности и обладают рядом преимуществ по сравнению с ПК. Основным фактором, ограничивающим ресурс опор скольжения, является контакт поверхностей цапфы вала и втулки подшипника во время переходных режимов. Изменение геометрии втулки подшипника приводит к ухудшению рабочих характеристик опоры и может привести к потере работоспособности всей роторной системы.

Для роторных машин с многократными пусками и остановами (турбокомпрессоры химических топливных элементов электромобилей, тур-бодетандеры и различные виды насосов для криогенной техники и нефтехимической промышленности) актуальна задача обеспечения повышенной надежности, что предъявляет более жесткие требования к опорным узлам роторов такого рода машин. И когда ни один из существующих видов подшипников не удовлетворяет техническим требованиям роторной машины, как возможное решение данной проблемы рассматривают вариант совмещения опор различного принципа действия для повышения надежности опорного узла за счет разделения и дублирования функций подшипников. Одним из вариантов является совмещение в едином опорном узле подшипников качения и скольжения по различным пространственным схемам, что позволяет использовать достоинства и исключить недостатки, присущие каждому виду опор на различных режимах работы.

Анализ опубликованных работ, посвященных комбинациям подшипников качения и скольжения, позволяет сделать вывод о недостаточной освещенности данного вопроса. Большинство работ являются отражением результатов экспериментальных исследований какого-либо одно-

РОС. Р МНЧ'ИЛ 'ЬНАЯ би:. - ■<>■'■

26® (рк

го вида комбинированных опор (КО), отсутствуют комплексные методики расчета динамических (жесткость и демпфирование, АЧХ, области устойчивости) и статических (грузоподъемность, расход смазочного материала, потери мощности на трение) характеристик комбинированных опор и алгоритмы расчета ресурса опорного узла в целом.

Расчету подшипников качения и скольжения посвящено большое количество работ, их статические и динамические характеристики определяются известными методами упругогидродинамической теории смазки. Но каяодый вид комбинированных опор представляет собой отдельный объект исследования, который, несмотря на идентичность его составляющих, различается по принципу работы, процессом и степенью улучшения динамических качеств и ресурса по сравнению с одиночным использованием того или иного вида опор. Соответственно определение статических и динамических характеристик, а также ресурса каждого вида комбинированных опор должно происходить по алгоритмам, учитывающим взаимовлияние силовых факторов подшипников качения и скольжения. Таким образом, изучение динамических качеств и ресурса опорных узлов, которые представляют собой совмещенные подшипники качения и скольжения является актуальной научной и практической задачей.

Настоящая работа выполнялась в рамках программ Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (коды проектов 205.02.01.001, 205.02.01.056), 2001-2004 гг., гранта Министерства образования РФ для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов (код проекта АОЗ-З.18-164), 2003-2004 гг.

Объектом исследования являются опорные узлы роторов, которые представляют собой комбинацию радиальных подшипников качения и скольжения по различным пространственным схемам расположения.

Предметом исследования являются динамические, статические характеристики и ресурс различных видов комбинированных опор.

Цель исследования. Целью диссертационной работы является совершенствование опор роторов путем выявления особенностей работы, разработки методики, программ расчета и рекомендаций по проектированию комбинированных опор, представляющих собой совмещенные в единый опорный узел подшипники качения и скольжения.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) провести информационный поиск по отечественным и зарубежным изданиям в области опорных узлов роторных машин и базам данных патентов по классам подшипников качения, скольжения и их комбинациям;

2) разработать математические модели по определению динамических, статических характеристик и ресурса двух базовых видов комбинированных опор с разделением нагрузок и скоростей;

3) разработать программное обеспечение по определению динамических, статических характеристик и ресурса комбинированных опор;

4) провести комплекс вычислительных экспериментов по оценке влияния рабочих и геометрических параметров роторно-опорного узла на динамические и статические характеристики комбинированных опор, а также оценить повышение ресурса по сравнению с одиночной постановкой подшипников качения и скольжения;

5) провести экспериментальные исследования работоспособности и динамических характеристик базовых видов комбинированных опор на базе модернизированной экспериментальной установки;

6) провести сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований;

7) по результатам проведенных исследований разработать рекомендации по проектированию опорных узлов повышенного ресурса с использованием разработанного программного обеспечения

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что;

1) разработаны математические модели и программное обеспечение для расчета ресурса, динамических и статических характеристик комбинированных опор различного принципа действия, учитывающие взаимное влияние сил подшипников качения и скольжения;

2) для комбинированных опор, выполненных по схеме с разделением нагрузок:

- выявлено уменьшение момента трения опорного узла при высоких значениях удельных нагрузок;

- теоретически обоснована возможность повышения ресурса и предельной быстроходности, входящих в комбинированную опору подшипников качения, обусловленная уменьшением эквивалентной нагрузки;

3) для комбинированных опор, выполненных по схеме с разделением скоростей:

- теоретически обоснована возможность повышения ресурса вследствие уменьшения повреждающих нагрузок в сопряжении «вал - втулка ПС» и скорости вращения ПК,

- установлены особенности взаимного влияния сил подшипников качения и скольжения на динамические характеристики опорного узла;

4) разработаны и запатентованы новые конструкции комбинированных опор повышенной надежности, конструктивные особенности которых позволяют более эффективно разделять функции подшипников качения и скольжения;

5) научно обоснованы рекомендации по проектированию комбинированных опорных узлов роторных машин, основанные на обеспечении повышенного ресурса и виброустойчивости.

Методы исследования. Анализ динамических характеристик проводился в предположении, что вал с присоединенными деталями и опорами представляют собой единую динамическую систему. Исследование динамических характеристик основывалось на совместном решении уравнений упругогидродинамической теории смазки. Системы уравнений движения жесткого ротора получены на основании базовых соотношений динамики твердого тела. Оценка динамических характеристик роторов на КО базировалась на анализе влияния жесткости и демпфирования опорного узла на критические частоты ротора. Расчет подшипника качения основывался на аналитическом решении контактной задачи теории упругости. Характеристики подшипника скольжения определялись из уравнения Рейнольдса, численное решение которого проводилось методом конечных разностей. Математические модели определения ресурса подшипников качения и скольжения основывались на эмпирических методиках, отражающих процесс износа деталей подшипников в зависимости от различных рабочих и эксплуатационных характеристик машины. Расчет критических частот проводился в программе автоматизированных расчетов АРМ \ЛЯпМасЫпе, реализованным в ней методом конечных элементов.

Экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке с использованием современного информационно-измерительного оборудования. Планирование исследований осуществлялось в соответствии с теорией инженерного эксперимента.

Программное обеспечение разработано в среде математического моделирования Ма11_аЬ. Для регистрации и обработки экспериментальных данных использовалась среда визуального программирования !_аЬ\Леуу. Анализ расчетных и экспериментальных данных проводился также в системе МаМаЬ.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки и формализации задачи, обоснованностью используемых теоретических зависимостей, принятых допущений и ограничений, применением апробированных методов решения и анализа, что подтвер-

ждается 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 методики расчета комбинированных опор и программное обеспечение позволяет определять их статические и динамические характеристики, а также оценивать возможность повышения ресурса при совмещении ПК и ПС по сравнению с их одиночной постановкой. Разработанные конструкции комбинированных опор позволяют повысить ресурс и надежность опорных узлов за счет более эффективного разделения функций подшипников посредством применения переключающих элементов.

Результаты работы внедрены и используются при проектировании опорных узлов компрессоров автомобильных двигателей с альтернативными источниками энергии на ОАО «Конструкторское бюро химической автоматики», г. Воронеж.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (г Воронеж, 2001); Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (г. Курск, 2001, 2003), Международной дистанционной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» (г. Орел, 2001); Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии-2002» (г Пермь, 2002); Международной научно-технической конференции «Приборостроение-2002» (г Алуп-ка, 2002); Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (г. Казань, 2004); Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин» (г Гагры, 2004); Международной научно-технической конференции, школе молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии» (г. Воронеж, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, включая 9 статей в научных сборниках и журналах, 2 тезисов докладов, 2 депонированные работы, 2 патента РФ и 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений, имеет 132 страницы основного текста, 67 рисунков, 5 таблиц. Библиография включает 86 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

Глава 1. Комбинированные опоры как объект исследования

Широкий класс роторных машин (насосы, компрессоры, детандеры) находят свое применение в авиационной и ракетной техники, газовой и нефтяной промышленности, энергетическом машиностроении, речном и морском транспорте Эксплуатационные показатели, ресурс и надежность всего агрегата определяются роторным узлом, удовлетворительная работа которого в высокой степени зависит от динамических и статических характеристик опорного узла.

Подшипники качения, скольжения, электромагнитные опоры обладают определенными преимуществами и недостатками друг перед другом. Для ПК основным недостатком является ограничение по параметру предельной быстроходности из-за высоких центробежных нагрузок на наружном кольце. ПС изнашиваются в периоды пуска и останова, а также в результате неустойчивого движения, вызванного автоколебаниями. Магнитные подшипники требуют сложной системы управления, что ведет к повышенной стоимости такого вида опорных узлов. Одним из вариантов повышения эксплуатационных характеристик агрегата является совмещение подшипников различного принципа действия в единый опорный узел. В данной работе рассматриваются комбинации ПК и ПС.

В главе представлены два базовых варианта комбинаций ПК и ПС (рис.1), описаны принципы их действия и направления повышения эксплуатационных характеристик роторно-опорного узла.

Комбинированная опора с разделением нагрузок [КОРН] (рис 1а): на основном режиме работы ПК работает в более легком режиме за счет разгруженное™ со стороны ПС, что ведет к повышению ресурса ПК и всей КОРН, т.к. ПС имеет гарантированный радиальный зазор.

Комбинированные опоры с разделением скоростей, которые в свою очередь делятся по пространственному положению ПС: внешнее [КОРС-внешн] (рис. 16) и внутреннее [КОРС-внутр] (рис 1в). Принцип работы КОРС заключается в следующем: в моменты пуска и останова ротор вращается в ПК, а на основном режиме в ПС, тем самым для последнего практически исключаются основные факторы повреждения Для повышения надежности в запатентованных конструкциях в качестве переклю-

чающих устройств используются различные элементы (подпружиненные колодки, неравножесткие кольца, упругие лепестки и др.).

Рис. 1 - Базовые виды комбинации подшипников качения и скольжения

Перспективность исследований в области комбинированных опор подтверждается опытными разработками турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) многоразового использования и двигателей летательных аппаратов (ДЛА), проводимых на отечественных и зарубежных предприятиях ракетно-космической и авиационной промышленности. Предпосылки расчета статических характеристик различных видов КО и экспериментальные подтверждения эффективности их использования в виде диаграмм повышения ресурса опорного узла, графиков разделения нагрузок и траекторий движения приводятся в работах М.Г. Хановича, Л.В. Горюнова, В.М. Демидовича, C.B. Пинегина, Уилкока, Найпена, Е. Пича, W.J. Anderson, N.P. Hannum. Обобщенная методология проектирования совмещенных опор, как более широкого класса комбинаций различного вида опор и уплотнительных элементов, представлена в работах Л.В. Горюнова. Основы расчета подшипников скольжения и качения базировались на трудах отечественных и зарубежных авторов: В. Констатине-ску, М.В. Коровчинского, Д. Лунда, Ю.В. Пешти, Э.Л. Позняка, В.Н. Про-копьева, Ю.А. Равиковича, И.Я. Токаря, А. Тондла, С.А. Шейнберга, А.И. Спришевского, J.A. Wensing.

В заключительной части главы обобщены объекты изучения и изложена схема проведения исследований.

Глава 2. Расчет сил в элементах комбинированных опор

Определение динамических и статических характеристик, а также оценка ресурса комбинированной опоры требует знания всех силовых факторов подшипников качения и скольжения.

а) КОРН

б) КОРС-внешн

в) КОРС-внутр

Математическая модель определения сип в шариковом радиально-упорном подшипнике качения (рис. 2) основывается на решении контактной задачи теории упругости и строилась при следующих допущениях'

■ рассматривается подшипник с идеальными геометрическими параметрами: отсутствуют микронеровности, отклонения от формы всех деталей ПК;

■ материалы контактирующих тел однородны по своим механическим свойствам и абсолютно упругие;

■ нагрузка приложена перпендикулярно поверхности контакта;

■ деформации в контакте малы по сравнению с размерами площадки;

■ не учитывается влияние гидродинамических сил в смазочном слое между поверхностями тел качения и колец подшипника.

Реакция со стороны тел качения в зависимости от смещения центра внутреннего кольца в направлении координат X, У, 2

R"K = k£(S0 + х ■ cos/3 cosy j + у ■ cos P ■ smy; + z sin fi)vl cos/?cos у ;

j=i

R" =K^{80+x cos/?cos^ +y cosp smyj+: smpfnc,ospsmy1-,

j=>

(1)

R"K = K"É(S0 +XCOS0 cos у + у - cos/? • sin/, + г • sin P)3'2 sin p. j-1

(n V2 2

где К = — ^ 1/2 - коэффициент пропорциональности, зависящий

от материала и формы контактирующих поверхностей, его можно охарактеризовать как коэффициент нелинейной жесткости подшипника качения размерностью Н/м3/2, здесь к I к/и -величина являющаяся отображением геометрии контакта и определяемая в зависимости от вспомогательной величины cosт = (рп - ри+ р2\ ~Ргг) / 2 Р ¡

= pii + pi2 + ¿>2i+ Рп ~ сумма главных кривизн поверхностей соприкосновения тел в месте их первоначального контакта;

r¡ = (1 - v,2)/£, + (1 - v\ )/ Е2 - коэффициент, характеризующий упругие свойства материала, здесь v р (j = 1,2 ) - соответственно, коэффициенты Пуассона и модули упругости материалов контактирующих тел; 8(} - деформация от предварительного натяга.

а)

б)

у

Рис.2 - Схема шарикового радиально-упориого подшипника качения (а) и эпюра распределения нагрузок между телами качения (б)

Математическое описание сил трения основывается на пблуэмпири-ческой методике, разработанной и применяемой на ведущих предприятиях подшипниковой промышленности

М™ =М„ + Мш - О.'ЫО"6^ /С0)055(3^о -О.1^г)£>0 +2 10",о(»77)2'3£)^ , (2) где =(ХУРГ + УРа)КБКт - эквивалентная нагрузка на ПК; Гг,

радиальная и осевая нагрузка, приведенные к подшипнику; X ,У - коэффициенты, учитывающие разное повреждающее действие радиальной и осевой нагрузки, определяются в зависимости от соотношения ^ / С0, здесь С0 - статическая грузоподъемность ПК; V - коэффициент вращения; КБ, Кт - коэффициенты безопасности и температуры; V - кинематическая вязкость смазки; л - частота вращения.

Определение сил гладкого гидродинамического и гидростатодинами-ческого с точечными камерами подшипников (рис. 3) основывается на интегрировании поля давлений р(х, г) по опорной поверхности на основании решения уравнения Рейнольдса

где А = Ао - X вта-Усоза - функция радиального зазора; р. ¡л- плотность и динамическая вязкость смазки; V. V - скорость смазочного материала на поверхности цапфы в окружном и радиальном направлении.

д_ Иъ р ф + д_ /г3 р ф

= 6—(о-и И)-\2оУ + \2И—, (3)

дк р дк ск р сЬ

Реакции и момент трения подшипника скольжения

г ¡ю ь по

Ях~-\ / рсовжЬск; Яу = | рь'таЛхйг-,

Л лО

мЦ,п=-—[ ГГ-яюоЛСЙЬ ; г =——. р ? * * 2 дх к

о о

а) б)

Рис. 3 - Схема радиального гидростатодинамического подшипника (а) и расчетное поле давлений (б)

В качестве базовых смазочных материалов были выбраны вода (для сравнения с результатами натурных экспериментов) и масла с начальной динамической вязкостью порядка 0.1 Па с. Для учета изменения теплофи-зических свойств смазочного материала были приняты известные аппроксимирующие функции, апробированные в работах других авторов, например для масел

Ч(Р,Т) = Пьеа'р-у(Т-Тй\ (4)

где >7о - динамическая вязкость при атмосферном давлении Т0 = 20 °С; ар - пьезовязкостный коэффициент; у - температурный коэффициент вязкости; температура в смазочном слое определяется выражением Т-Т0 = / 4к/, здесь к^ - теплопроводность смазочного материала; V; - скорость скольжения.

Полученные в главе 2 базовые соотношения по определению силовых факторов подшипников качения и скольжения являются основой для построения математических моделей комбинированных опор различного принципа действия.

Глава 3. Характеристики комбинированных опор с разделением нагрузок

В главе описаны механизмы увеличения надежности опорного узла при параллельной комбинации ПК и ПС и проведена оценка ресурса, мо-

мента трения и динамических характеристик для различных рабочих и геометрических параметров роторной системы Механизм работы КОРН предполагает, что при определенных рабочих условиях можно подобрать такие параметры ПС, что он будет максимально разгружать ПК. Ресурс КОРН будет определяться ПК, так как ПС имеет все время гарантированный радиальный зазор, по известной методике

,КОРН _ ¡ПК _ „ п

10° 60 п

(5)

где й1 - коэффициент надежности; а2з - коэффициент смазки и материала; п - частота вращения; Сд- динамическая грузоподъемность подшипника качения; - эквивалентная нагрузка на ПК; к = 3 - для шарикоподшипников.

Очевидно, что при параллельной постановке подшипника качения и скольжения радиальная нагрузка на ПК ¥г будет складываться из внеш-

(6)

ней нагрузки <2 и реакции подшипника скольжения Япс

^б + Л770.

Если не учитывать повреждающее действие осевых нагрузок на ПК, на определенных режимах работы внешняя нагрузка полностью нейтрализуется (рис. 4) и ресурс КОРН существенно возрастает по сравнению с одиночной постановкой ПК (рис. 5). В главе предлагается подход к построению критерия работоспособности КОРН - эффективной области использования, которая определяет диапазон рабочих частот вращения, при котором обеспечивается необходимый ресурс опорного узла.

п, обЛдин

Рис. 4 - Силы в КОРН

Рис 5 - Эффект повышения ресурса для КОРН

Обратный эффект можно получить для потребной динамической грузоподъемности ПК при заданном ресурсе. Это позволяет выйти на показатель предельной быстроходности КОРН, т.к. она будет ограничена возможностями шарикоподшипника. Уменьшение потребной грузоподъемности позволяет использовать подшипники с меньшими типоразмерами и большей предельной быстроходностью (рис. 6).

5 25

£

? 20

КОРН - ПК Мк1000904 + ГСДП

(вода, ро*05 МПа ¿>20 мм, f-^ЗО мм, мм)

6000 10000 12000 14000 16000 18000 п, обАиин

M„p(F) вследствие уменьшения нагрузки на ПК.

Рис 6 - Эффект повышения предельной быстроходности КОРН

Минимизация эквивалентной нагрузки на ПК обуславливает эффект уменьшения суммарного момента трения КОРН при определенных сочетания рабочих и геометрических параметров (рис. 7)

М%т + + (7)

Данный эффект объясняется тем, что наибольшую часть суммарного трения составляет, зависящее от нагрузки трение качения Весовая доля трения скольжения м"р (а) в области

контакта тел качения и колец ПК гораздо меньше. При некоторых сочетаниях рабочих параметров доля

Рис. 7 - Эффект понижения суммарного момента трения в КОРН

момента трения ПС М^(а}) может быть меньше падения

Оценка динамических характеристик комбинированных опор основывалась на определении показателей жесткости и демпфирования с последующим их применением в программах с конечно-элементными решателями для детального динамического анализа роторов на КО. Это связано с тем, что решение задачи устойчивости движения роторов на комбинированных опорах представляет собой отдельную проблему как по целям и задачам, так и по объему.

Для оценки жесткости и демпфирования опорного узла реакции подшипников качения и скольжения выражаются через динамические коэффициенты в зависимости от смещения центра цапфы ротора

R$K = К'х х, RyK = K'Y ■ у,

где жесткость ПК К V г = - К2'п (Fy • iC0SГо i)1/3. (8)

' 2 ^ lsiny0 J

Демпфирование в ПК определяется в основном рассеиванием энергии из-за вязкого трения смазочного материала в контакте тел качения с кольцами подшипника. Результаты исследований по данному вопросу других авторов позволяют сделать вывод о возможности пренебрежения демпфированием в ПК при рассмотрении данной характеристики КОРН, т.к. оно на несколько порядков меньше, чем демпфирование в ПС (для ПК - 10... 100 Н-с/м; для ПС -104 Н с/м).

Реакции ПС лианеризуются в области точки подвижного равновесия сбалансированного ротора путем разложения в ряд Тейлора

RxC =RyC -K^AX-K^AY-B^AX-B^AY,

(9)

Rfc =R"C-KrxAX-KnAY-BYXAX-BnAY

Здесь жесткость и демпфирование определяются как отношения приращений реакции ПС для соответствующих малых изменений координат и скоростей центра цапфы ротора

Кх(у)х --lR"íy)(xo+Д*; у<>; 0; о)-я^г)(х0-ах; y0,о;о)]/2д*, KríX)r « -[R?[x)(xa-, У0 + A Y; 0; 0 )-R^x]{X0; Y -AY0; 0; o)j/2AF, (10) BX{Y)X « -[R%r)(xa, >o; + Д*'; 0)-R2cin(Xo; -ax'- o)J/2at;

Br[x)Y «-\RW)(X°> y0; 0; + AY')-R?fx](X0; Y0, 0, - AY'^lAY'.

На рис. 8 представлены характерные зависимости жесткости и демпфирования при изменении скорости вращения. При разгрузке ПК на определенных режимах работы происходит уменьшение его жесткости (рис. 8 б), что обуславливается уменьшением количества тел качения,

участвующих в восприятии внешней нагрузки. Но, в случае, когда жесткость ПС имеет приблизительно тот же порядок, для общей жесткости КОРН этот эффект несущественен (рис 8 а). Жесткость КОРН в основном определяется упругими свойствами тел качения, но в области высоких частот и/или для вязких смазочных материалов (масла) существенным становится влияние жесткости ПС (рис. 9 а). Демпфирование в КОРН определяется вязким трением в ПС (рис. 9 б).

35г&4Я!_ "И"

^юсен

Р,-100К

01500 Н

/=,-100 4

//

- / ■ кои*

¿Г

1:

- - кх

ЯК"--"""-1

08 1 12 14 16 18 2 22 24 п обЛлии

я^юоон! ВДООИ

Р,=15СЮН

* ч хЛ У \ • -V, /-*;

04 06 08 1 12 14 16 18 2 22 24 хЮ4Э) Л.об/мин б)

Рис. 8 - Жесткость в КОРН

ГСДП вкамер вода р,*0.2МПа ? = 04

- 50мкм * " Л»» 75 мкм

Ьв» 100 мкм

А

(«иву вверх, для «ид ого варианта зазора)

5 5000 X

£ 4000 в

I

ГСДП в камер вода , \ Ре»02МПа г-0.4

- - Л,« 50мкм , ~ Л#» 75 мил

Л«» 100 мкм

12 14 18 18 2 22 24

л, об/мин X 10* а)

[снму мер» для

мриан,а аморя}_

04 06 08 1 12 14 18 18 2 11 24

/I, 06А.ИН к 104 б)

Рис. 9 - Жесткость (а) и демпфирование (б) ПС

Полученные показатели жесткости и демпфирования могут быть использованы не только для количественной оценки данных характеристик КОРН, но и при расчете критических частот роторов любой конфигурации в программах конечно-элементного анализа, таких как АЫвУв и АРМ УУтМасЫпе. В главе приводится пример такого расчета для ротора экспериментальной установки.

Глава 4. Характеристики комбинированных опор с разделением скоростей

Разделение скоростей между ПК и ПС на различных режимах работы приводит к тому, что исключаются основные повреждающие факторы для

обоих типов опор: для ПК - это предельные центробежные нагрузки на высоких частотах вращения, а для ПС - износ втулки в моменты пуска -останова. Разделение скоростей зависит от соотношения моментов трения ПК и ПС. На рис. 10 представлена динамическая модель КОРС-внешн. Одновременное численное решение уравнений вращательного движения (11) ротора и наружного кольца ПК, соединенного с промежуточной втулкой позволяет определить разделение основной частоты ротора между ПК и ПС (рис. 11).

1ф = мы-м™Л

где /, / - соответственно, приведенные полярные моменты инерции ротора и наружного кольца ПК с промежуточной

втулкой; ф, П - угловая скорость ротора и наружного кольца ПК; М™, - соответственно моменты движущих сил, сил трения подшипника качения и скольжения.

Моделирование крутящего момента, в случае ТНА осуществляется выражением М = М0(2 ~ со/сой - а2/о^), (12)

а) б)

Рис. 11 - Разделение скоростей в КОРС-внешн (а) и уменьшение центробежных нагрузок в ПК (б)

КОРС-внешн

Момент трения в КОРС будет определяться тем или иным типом подшипника работающего в данный момент, т.е. можно утверждать, что для основных режимов и, следовательно, для всего опорного узла это будет трение в ПС Но в комбинированных опорах без переключающих устройств (центробежные колодки, упругие лепестки и пр.), возможны режимы работы, на которых основная скорость вращения ротора будет разделяться между ПК и ПС в пропорциях, которые зависят от соотношения моментов трения подшипников качения и скольжения.

Эквивалентная жесткость КОРС будет определяться как в случае двух последовательно соединенных пружин, а именно

ккорс _ К'х-(Кхх +К-ХУ) ^КОРС _ К'г ■ (Кп + Кух) ^^

К'х + (Кхх К'у + (Куу + КУХ)

Это приводит к тому, что эквивалентная жесткость КОРС не может быть больше, чем минимальная жесткость какого-либо из подшипников, что необходимо учитывать при проектировании опорного узла На рисунке 12 представлены зависимости жесткости КОРС и входящих в нее подшипников качения и скольжения, которые показывают тот случай, когда жесткость ГСДП будет на порядок выше жесткости ПК в области высоких частот вращения, но для эквивалентной жесткости КОРС это не будет иметь существенного значения.

л, об/мин х10*а) п, об/мин х 104

Рис. 12 - Жесткость КОРС (а) и ее составляющих (б)

Демпфирующие свойства опорного узла будут целиком определяться ПС из-за малости демпфирования в ПК.

Вращение наружного кольца со скоростью ротора или меньшей, обуславливает то, что относительная скорость комплекта тел качения равна нулю или гораздо меньше, чем в случае, когда оно закреплено, что ведет к значительному уменьшению центробежных сил. Таким образом, пред-

полагается, что ресурс КОРС будет определяться износом втулки ПС

^-^-М"«. (13)

где М=[л]-/ц), здесь [/г] - предельно допустимый износ втулки подшипника скольжения, - средний радиальный зазор в подшипнике скольжения; /ы - интенсивность изнашивания материала втулки.

В главе описаны подходы и результаты вычислительных экспериментов по определению ресурса КОРС (рис. 13). Основной идеей улучшения условий работы ПС стало предположение о том, что уменьшается повреждающее действие касательных напряжений в сопряжении «вал -втулка» при постановке ПС в КОРС. Математически это выражается через уменьшение скорости вращения промежуточной втулки по сравнению с основной скоростью ротора, что ведет к меньшему изнашиванию ПС. Достоверность данных резуль

татов основывается только на ™Г \ гдпТкбрс

_ I Амтмвп* * ЛлрмтрпсмсД ступи

логике механизма работы

КОРС и дает лишь предпосылку Ц \ от («*>••. п«™о«а>

для дальнейшего исследования в этом направлении, т.к. проведенные преобразования могут лишь частично отразить возможность уменьшения износа втулки ПС при последователь-

000

700

(3 600

7

(1 500

1_

Л 400

300

200

100

0

/Уюиттл ~ Пияпом

ЮО 1000 1900 2000 2500 3000 3500 4000

ной постановке ПК и ПС и, не- р„н

сомненно, нуждается в экспе- Рис. 13 - Эффект повышения

ресурса ПС в КОРС риментальном подтверждении. р 7Р

В главе представлены результаты вычислительных экспериментов по определению ресурса, грузоподъемности и момента трения для КОРС, определены особенности взаимовлияния параметров ПК и ПС на динамические качества опорного узла в целом.

Глава 5. Экспериментальные исследования динамических

характеристик комбинированных опор

Экспериментальные исследования проводились с целью оценки общей работоспособности комбинированных опор роторов, получения новых закономерностей и проверки адекватности, разработанных в диссертации математических моделей, которая выполнялась на основании собственных экспериментальных исследований и сравнения с результатами других авторов.

В главе представлено подробное описание экспериментальной установки (рис. 14) и информационно-измерительной системы. Основным элементом экспериментальной установки (ЭУ) является роторно-опорный узел Особенностью установки является то, что при едином корпусе подшипникового узла можно конструировать основные типы комбинированных опор путем смены определенных деталей и их расположения.

Конструкция КОРН: шариковый подшипник №301 + ГСДП [диаметр 40 мм, длина 66 мм, номинальный зазор 100 мкм]. КОРС-внешн. шариковый подшипник №202 + ГСДП [диаметр 40 мм, длина 66 мм, номинальный зазор 100 мкм]. КОРС-внутр: шариковый подшипник №106 + ГДП [диаметр 25 мм, длина 80 мм, номинальный зазор 50 мкм].

Крутящий момент на вал передается от электродвигателя через электромагнитную муфту. Установка позволяла моделировать следующие диапазоны рабочих параметров: 1) номинальная частота вращения 1000 + 12000 об/мин; 2) давление подачи смазочного материала 0.05 + 0.2 МПа; 3) дисбаланс 0.0 + 16-Ю"5 кг м; 4) смазочный материал - вода.

4 - датчики давлений, 5 - корпус подшипникового узла, 6 - датчики перемещений, 7 - система слива смазочного материала, 8 - ступенчатый вал, 9 - втулки-цапфы, 10 - резьбовые отверстия для создания дисбаланса, 11 - асинхронный электродвигатель, 12 - частотный преобразователь, 13 - электромагнитная муфта Рис. 14 - Схема экспериментальной установки

Основу информационно-измерительной системы составляет аналого-цифровой преобразователь фирмы «National Instruments» (США). В качестве первичных преобразователей использовались индуктивные датчики относительных виброперемещений ДБ2 фирмы НПО Измерительной Техники (Россия), для измерения частоты вращения использовались бесконтактные индуктивные датчики IA5-18GM-I3 фирмы Pepperl+Fuchs (Германия). Связь с датчиками осуществляется через соединительные кабели и согласующие устройства. Инструментом для управления силовыми модулями установки, регистрации, хранения и обработки экспериментальных данных используется приложение, разработанное в среде визуального программирования LabView.

Для каждого вида комбинированных опор программа эксперимента включала минимум семь испытаний для одинаковых рабочих параметров. В главе описывается программа и методика испытаний

Сравнение теоретических и экспериментальных данных проводилось для АЧХ и траекторий движения, кривых разделения скоростей и момента трения (только для КОРН). На рисунке 15 показаны АЧХ вала ЗУ в ПК (кривые 1 и 2) и в КОРН (кривые 3 и 4), которые иллюстрируют уменьшения амплитуд колебаний вала на ПК при появлении реакции ГСДП. Расчетные значений критических скоростей в программе АРМ WinMachine показали удовлетворительное согласование с результатами эксперимента.

Для КОРС (рис. 16) траектории движения иллюстрируют наличие автоколебательных режимов работы, связанных с существенной нелинейностью смазочного слоя. Идентичность эффектов, полученных в работах других авторов для ПС (рис 16 б), свидетельствует о том, что в КОРС колебательные процессы на основном режиме работы будут определяться нелинейными реакциями смазочного слоя ПС.

Результатом экспериментальных исследований для КОРС-внутр стал вывод о неработоспособности такого вида КО без промежуточных переключателей при использовании ГДП с осевой подачей смазки Это объясняется тем, что условием переключения с ПК на ПС является избы-

Рис 15-АЧХ вала ЭУ в КОРН

точное давление в зазоре ПС, которое не может быть достаточным из-за низкой скорости вращения промежуточной втулки.

2«

270"

б)

п.™ =4000 Пыъ'Х0000 пт, =12000,

,„.■49 об/МИИ об/мин 143 об/мин

КОРС-внешн, вода, р0 =0.2 МПа, ГСДП, водород, р0 =0.5 МПа, 7о=23°С , А = 16-Ю"5 кг*м, 7о=20°К, А = 5-10"5 кг м,

п = 10000 об/мин а) ш = 1000 рад/сек

Рис. 16 - Траектории движения вала ЭУ в КОРС - внешн (а) и расчетные траектории ротора на ГСДП (б) На рисунке 17 представлены развертки сигналов тахо-датчика, отражающих частоту вращения промежуточной втулки в КОРС-внешн Расхождение полученных экспериментальных значений с расчетными составляло не более 15%.

Ограниченные возможности экспериментальной установки не позволили провести полномасштабные исследования по всем исследуемым характеристикам, особенно это касается ресурса комбинированных опор. В главе приводится сравнительный анализ с результатами экспериментальных исследований ресурса и момента трения различных видов комбинированных опор, полученных другими авторами, который также показал удовлетворительное согласование с разработанными теоретическими моделями.

Время, сек МО4

Рис. 17 - Экспериментальные данные разделения скоростей

Глава 6. Вопросы проектирования комбинированных опор

В главе представлены общие выводы и рекомендации по улучшению рабочих характеристик опорного узла путем различных комбинаций подшипников качения и скольжения.

Также представлено описание программного обеспечения, являющегося отражением теоретических основ расчета комбинированных опор, изложенных в диссертации. Программа представляет собой код, написанный в среде математического программирования Ма^аЬ. Программное обеспечение может быть использовано для проведения проектировочных расчетов дух базовых видов комбинированных опор и позволяет получить основные динамические (жесткость и демпфирование) и статические (грузоподъемность и момент трения) характеристики, а также проводить оценку ресурса как для одиночной постановки ПК и ПС, так и для их комбинаций по схемам с разделением нагрузок или с разделением скоростей. Результаты представляются в текстовом виде и дается их графическая интерпретация.

В главе представлены рекомендации по проектированию комбинированных опор повышенного ресурса для обеспечения заданных параметров надежности и виброустойчивости; практическим инструментарием при проектировании служит разработанное программное обеспечение.

Заключение

В диссертации представлено решение актуальной научно-практической задачи по повышению динамических качеств и ресурса опорных узлов роторов, представляющих собой совмещенные подшипники качения и скольжения. В ходе диссертационного исследования были получены следующие результаты:

1. Разработаны математические модели двух базовых видов комбинированных опор, функционирующих с разделением нагрузок и скоростей, позволяющие рассчитывать грузоподъемность, момент трения, ресурс, жесткость и демпфирование опорного узла.

2. На основании математических моделей разработано программное обеспечение в среде математического моделирования МаНаЬ, состоящее из набора расчетных модулей, которые позволяют проводить анализ влияния рабочих и геометрических параметров подшипников качения и скольжения на динамические характеристики и ресурс комбинированных опор, а также подшипников качения и скольжения по отдельности;

3. В результате вычислительных экспериментов предложены рекомендации по повышению динамических качеств и ресурса опорных узлов по сравнению с одиночной постановкой ПК и ПС:

- целесообразно использовать КОРН для совершенствования высокона-груженных опорных узлов, что при прочих положительных эффектах позволяет уменьшить момент трения по сравнению с базовым ПК на 15% (в зависимости от соотношения действующих нагрузок и статической грузоподъемности ПК);

- ПК может быть выбран меньшей грузоподъемности по сравнению с его одиночной постановкой почти на 50%, что, соответственно, ведет к уменьшению габаритов подшипника и повышению быстроходности опорного узла в целом (для наилучших режимов работы до 30%);

- диапазон воспринимаемых нагрузок для ПК может быть существенно увеличен за счет выбора соответствующих параметров ПС;

- разгрузка ПК за счет реакции ПС приводит к повышению ресурса по сравнению с одиночной постановкой ПК в несколько раз в зависимости от соотношения радиальной и осевой нагрузок;

- одновременное действие на ротор реакций ПК и ПС повышают значения критических частот ротора, за счет увеличения жесткости опорного узла;

- появление весомого демпфирования со стороны ПС улучшает динамические качества КОРН, проявляемое в уменьшении амплитуд колебаний на резонансных режимах.

- целесообразно использовать КОРС в высокоскоростных роторных машинах для улучшения динамических характеристик и повышения ресурса;

- за счет большей возможности изменения геометрических и рабочих параметров ПК и ПС можно обеспечить необходимые для достаточной виброустойчивости жесткость и демпфирование КОРС без существенного изменения грузоподъемности опорного узла;

- разделение скоростей между ПК и ПС приводит к значительному улучшению условий работы ПК, а именно уменьшению или даже исключению центробежных нагрузок со стороны комплекта тел качения на наружное кольцо подшипника;

- при постановке ПС в КОРС уменьшение повреждающих нагрузок на переходных режимах приводит к повышению ресурса всего опорного узла (теоретически в 2 раза).

4. В результате экспериментальных исследований работоспособности и динамических характеристик комбинированных опор:

- для КОРН подтверждено повышение значений критических частот по сравнению постановкой вала только на ПК вследствие повышения суммарной жесткости опорного узла за счет реакции ГСДП (расхождение экспериментальных и теоретических значений составило не более 17%);

- косвенно подтверждено положение о том, что эффект уменьшения суммарного момента по сравнению с одиночной постановкой ПК может быть осуществлен только в высоконагруженных опорных узлах;

- для КОРС подтверждено положение о влиянии момента трения ПК на разделение скоростей мееду подшипниками качения и скольжения (расхождение экспериментальных и теоретических значений частоты вращения промежуточной втулки, составило не более 15%);

- выявлена возможность возникновения автоколебательных режимов работы, характерных для ПС;

- обоснована неработоспособность КОРС в случае совмещения ПК с гладким гидродинамическим подшипником скольжения с осевой подачей смазочного материала без промежуточных элементов из-за отсутствия условий для переключения с одного вида подшипника на другой

5. Предложено обобщение механизма повышения виброустойчивости для КОРС, основанного на нейтрализации окружной составляющей реакции ПК за счет ее действия на наружное (внутреннее) кольцо ПК.

6. На основании результатов исследования условий возникновения положительных эффектов на работоспособность опорного узла для различных схем совмещения ПК и ПС предложены методики проектирования комбинированных опор из условия обеспечения повышенного ресурса и достаточной виброустойчивости.

7. Запатентованы новые конструкции комбинированных опор, конструктивные особенности которых позволяют повысить ресурс и надежность работы опорного узла за счет применения дополнительных элементов, которые еще в большей степени улучшают условия работы подшипников качения и скольжения.

На основании полученных результатов был сделан вывод о том, что комбинирование подшипников качения и скольжения позволяет повысить ресурс и надежность опорного узла, дают большую гибкость при выборе геометрических параметров комбинируемых подшипников на этапе проектировании для обеспечения необходимых статических и динамических характеристик; усложнение конструкции опорного узла и, связанные с этим, сложности изготовления и неудобства монтажа являются незначительными недостатками по сравнению с достигаемыми положительными эффектами, что подтверждает перспективность применения комбинированных опор в роторных машинах с электрическим и турбинным приводом автомобильной, авиационной и ракетно-космической техники.

В приложениях представлены элементы листинга и пользовательского интерфейса расчетных программ, копия акта о внедрении, копии

патентов на изобретение и их описания.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. К вопросу о повышении ресурса и надежности опор шпинделей шлифовальных станков / Поляков Р.Н.// Материалы Международной дистанционной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения. Технология -2001».- с.35-38.

2. Моделирование высокоскоростных комбинированных опор / Поляков Р.Н.// Труды второй Всероссийской научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» в 2 ч. Ч. 2, с. 147-152. Воронеж, 2002 г.

3. О возможности повышения ресурса опорных узлов агрегатов авиационной и ракетно-космической техники / Поляков Р.Н., Савин Л.А., Соломин О.В.// Межвузовский сборник научных трудов «Аэродинамика, механика и технология авиастроения». Воронеж, 2001.

4. Подход к моделированию высокоскоростных комбинированных опор «подшипник качения - подшипник скольжения» / Савин Л.А , Соломин О.В., Поляков Р.Н.// Вибрационные машины и технологии: Сб. научн. тр./ Курск, гос. техн. ун-т; Курск, гуманит. -техн. ин-т. Курск. 2001.473 с.

5. Преобразователи и методы измерений быстропротекающих процессов в роторных системах с подшипниками скольжения / Соломин О.В, Комаров М.В., Поляков Р.Н., Салин М.И.// Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии -2002» 10-12 апреля 2002 г., г. Пермь, с. 245.

6 Разработка программного обеспечения для расчета комбинированных опор «подшипник качения - подшипник скольжения» / Соломин О.В., Поляков Р.Н.// Сборник трудов международной научно-технической конференции «Приборостроение-2002», Винни-ца-Алупка, 2002.

7. Проектирование экспериментального комплекса для исследования динамики и вибродиагностики высокоскоростных роторных систем с опорами скольжения / Соломин О.В., Комаров М.В., Поляков Р.Н./ Материалы VI Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии», Курск ГТУ, 2003 г.

8. Влияние силовых факторов на характеристики динамической системы "ротор - корпус" / Антипов В.А, Дулецкий В.А., Комаров М.В., Поляков Р.Н., Соломин О.В. // Известия ОрелГТУ. Машиностроение. Приборостроение. - 2003, № 3. - С. 6 - 9.

9. Механизм повышения рабочих характеристик подшипника качения в комбинированной опоре с разделением нагрузки / Поляков Р Н.// Материалы II Международного симпозиума «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия», г. Орел, 2004.

10. Динамические характеристики комбинированных опор с разделением скоростей / Поляков Р.Н., Пугачев А.0.11 Материалы пятой международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии «АКГ-2004», г. Воронеж, 2004.

11 Повышение надежности опорных узлов роторов путем совмещения подшипников качения и скольжения / Савин Л.А., Поляков Р.Н., Стручков A.A.// Материалы Международной НТК «Надежность и ремонт машин», г. Гагры, 2004.

12. Патент РФ 2228470. Комбинированная опора / Поляков Р.Н., Савин Л.А., Соломин О.В. Опубл. БИ №13, 2004. Патентообладатель: Орловский государственный технический университет.

13. Патент РФ 2243425. Комбинированная опора / Поляков Р.Н., Соломин О.В. Опубл. БИ №36, 2004. Патентообладатель: Орловский государственный технический университет.

РНБ Русский фонд

2005-4 42007

Подписано к печати " 18" апреля 2005 г. Тираж 100 экз Объем 1 п.л. Заказ №16/08

Отпечатано на полиграфической базе Орловского государственного технич ескогеуу н иверситета

Адрес: 302030, г. Орел, ул. Московская, а | ^

1 ? ' : :

1 9 МАЙ 2005?

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Поляков, Роман Николаевич

Условные обозначения, индексы и сокращения.

Введение.

1. Комбинированные опоры как объект исследования.

1.1 Условия работы и требования к опорам роторов быстроходных машин.

1.2 Обзор опубликованных работ в области исследований в комбинированных опор.

1.3 Классификация комбинированных опор.

1.4 Выбор объекта и структура исследования.

2. Расчет сил в элементах комбинированных опор.

2.1 Математическая модель подшипника качения.

2.2 Математическая модель подшипника скольжения.

3. Характеристики комбинированных опор с разделением нагрузки.

3.1 Ресурс, быстроходность и момент трения КОРН.

3.2 Динамические характеристики КОРН.

4. Характеристики комбинированных опор с разделением скоростей.

4.1. Разделение скоростей, момент трения и ресурс КОРС.

4.2. Динамические характеристики КОРС.

5. Экспериментальные исследования динамических характеристик комбинированных опор.

5.1 Описание экспериментального комплекса.

5.2 Постановка и планирование эксперимента.

5.3 Обработка результатов эксперимента.

6. Вопросы проектирования комбинированных опор.

6.1 Рекомендации по проектированию опорных узлов повышенного ресурса и виброустойчивости.

6.2 Программное обеспечение для расчета КО.

Введение диссертация по механике, на тему "Повышение динамических качеств и ресурса опорных узлов роторов совмещением подшипников качения и скольжения"

Актуальность темы. Надежная работа машин зависит от способности деталей и узлов выполнять свои функции. В роторных машинах одним из основных элементов, определяющим работоспособность всей машины, является опорный узел. В зависимости от условий работы и эксплуатационных параметров в качестве опор роторов используются подшипники качения, скольжения и электромагнитные опоры. Применение подшипников качения (ПК) для высоких скоростей вращения предъявляет к ним повышенные требования по точности изготовления, конструктивным особенностям, материалам и смазкам. Поэтому в высокоскоростных роторных машинах находят широкое применение подшипники скольжения (ПС), смазываемые рабочими жидкостями, которые практически не ограничены по предельной быстроходности и обладают рядом преимуществ по сравнению с ПК. Основным фактором, ограничивающим ресурс опор скольжения, является контакт поверхностей цапфы вала и втулки подшипника во время переходных режимов. Изменение геометрии втулки подшипника приводит к ухудшению рабочих характеристик опоры и может привести к потере работоспособности всей роторной системы.

Для роторных машин с многократными пусками и остановами (турбокомпрессоры химических топливных элементов электромобилей, турбоде-тандеры и различные виды насосов для криогенной техники и нефтехимической промышленности) актуальна задача обеспечения повышенной надежности, что предъявляет более жесткие требования к опорным узлам роторов такого рода машин. И когда ни один из существующих видов подшипников не удовлетворяет техническим требованиям роторной машины, как возможное решение данной проблемы рассматривают вариант совмещения опор различного принципа действия для повышения надежности опорного узла за счет разделения и дублирования функций подшипников. Одним из вариантов является совмещение в едином опорном узле подшипников качения и скольжения по различным пространственным схемам, что позволяет использовать достоинства и исключить недостатки, присущие каждому виду опор на различных режимах работы.

Анализ опубликованных работ, посвященных комбинациям подшипников качения и скольжения, позволяет сделать вывод о недостаточной освещенности данного вопроса. Большинство работ являются отражением результатов экспериментальных исследований какого-либо одного вида комбинированных опор (КО), отсутствуют комплексные методики расчета динамических (коэффициенты жесткости и демпфирования, АЧХ, области устойчивости) и статических (грузоподъемность, расход смазочного материала, потери мощности на трение) характеристик комбинированных опор и алгоритмы расчета ресурса опорного узла в целом.

Расчету подшипников качения и скольжения посвящено большое количество работ, их статические и динамические характеристики определяются известными методами упругогидродинамической теории смазки. Но каждый вид комбинированных опор представляет собой отдельный объект исследования, который, несмотря на идентичность его составляющих, различается по принципу работы, процессом и степенью улучшения динамических качеств и ресурса по сравнению с одиночным использованием того или иного вида опор. Соответственно определение статических и динамических характеристик, а также ресурса каждого вида комбинированных опор должно происходить по алгоритмам, учитывающим взаимовлияние силовых факторов подшипников качения и скольжения. Таким образом, изучение динамических качеств и ресурса опорных узлов, которые представляют собой совмещенные подшипники качения и скольжения является актуальной научной и практической задачей.

Настоящая работа выполнялась в рамках программ Министерства образования Российской Федерации «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (коды проектов 205.02.01.001, 205.02.01.056), 2001-2004 гг., гранта Министерства образования Российской Федерации для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов (код проекта АОЗ-З.18-164), 2003-2004 гг.