Совершенствование и расширение области применения метода расчета динамики и гидромеханических характеристик опор скольжения с плавающими втулками

В энергетическом и транспортном машиностроении широкое распространение получили малоразмерные турбомашины с роторами на виброустойчивых подшипниках скольжения. В качестве таковых часто используются опоры жидкостного (гидродинамического) трения с плаваюидими (вращаюш-имися и не вращающимися) втулками, которые обеспечивают виброустойчивость ротора и снижение потерь мощности на трение.

При конструировании опор скольжения с плавающими втулками степень совершенства их конструкций общепринято оценивать расчетами нелинейной динамики. Результатами таких расчетов помимо характеристик устойчивости подвижных элементов являются гидромеханические характеристики, к которым относят потери на трение, расходы смазки, толщины смазочных слоев и их температуры, значения гидродинамических давлений. Гидромеханические характеристики позволяют непосредственно или косвенно оценивать виброустойчивость опор, теплонапряженность и усталостную долговечность, износостойкость, склонность к задирам.

Умение рассчитывать нелинейную динамику опор скольжения с плавающими втулками и их гидромеханические характеристики означает умение совместно интегрировать уравнения Рейнольдса (уравнения в частных производных второго порядка) и систему уравнений движения ротора и втулок под действием внешних нагрузок. В качестве таковых традиционно учитывают только силы веса подвижных элементов и силы, обусловленные их неуравновешенностью. Другие нагрузки, например, возникающие в результате колебаний турбо-машины с ротором и его подшипниками, не учитываются.

Экспериментальные исследования показывают, что все гидромеханические характеристики опор зависят от их конструктивных особенностей, которые определяются способами подачи смазки, наличием и расположением канавок и отверстий на поверхностях трения втулок.

Учету конструктивных особенностей опор с плавающими втулками в известных методах расчета их динамики уделяется мало внимания. Это объясняется тем, что в случае включения в число исследуемых факторов конструктивных особенностей, влияющих на гидромеханические характеристики опор, нельзя использовать упрощенные методы, базирующиеся на теории короткой опоры или каких-либо приближенных аппроксимирующих зависимостях.

Например, такой фактор, как отклонения формы поверхностей трения втулок от «идеальной» можно учесть только прямым численным интегрированием уравнения Рейнольдса для гидродинамических давлений, а при расчетах динамики ротора и плавающих втулок лишь одного варианта конструкции опоры число интегрирований этого уравнения исчисляется тысячами. Желание выполнить многовариантные расчеты за «разумное» время и при этом иметь возможность включать в перечень учитываемых наибольшее число факторов порождает задачу совершенствования известных методов расчета динамики и гидромеханических характеристик опор с ПВ и ПН втулками.

Опоры с плавающими втулками могут применяться не только с целью решения проблемы обеспечения устойчивости быстровращающихся роторов малоразмерных турбокомпрессоров, но и для снижения потерь на трение при сравнительно низких частотах вращения валов, при которых проблема обеспечения устойчивости неактуальна. В частности, имеются сведения, что применение плавающих втулок в нетрадиционных областях, например, в подшипниках коленчатого вала и вала уравновешивающего механизма двигателей внутреннего сгорания обеспечивает снижение потерь на трение порядка 30%. В этих нетрадиционных, областях применение расчетов динамики опор с ПВ и ПН втулками для улучшения гидромеханических характеристик подшипников не получило широкого распространения из-за ограниченных возможностей, предоставляемых известными методами таких расчетов.

В свете вышесказанного тема настоящей работы представляется актуальной. Работа выполнялась в рамках Комплексной программы фундаментальных исследований УрО РАН на 1995 — 2005 год (раздел 2 — «Машиностроение», направление 2.4 — «Трибология в машиностроении») — по планам Министерства образования РФ 1996;1998 годов (направление «Динамика и оптимальный синтез машин и рабочих процессов, закономерности трения, износа и смазки в машинах», подраздел «Проблемы механики») — в 2001 г. при финансовой поддержке Министерства образования РФ по направлениям: «Машиноведение и детали машин» (грант ТОО-6.1.1467) — «Турбостроение и двигателестроение» (грант ТОО-6.7−1476).

Цель исследования заключается в разработке метода расчета динамики опор скольжения с плавающими втулками, который бы за счет возможности моделирования влияния на гидромеханические характеристики большинства из наиболее значимых факторов обеспечивал получение всесторонней информации, необходимой для совершенствования конструкции таких опор и обоснования новых нетрадиционных областей их применения.

Научная новизна.

1. В исходной системе уравнений разработанного метода расчета динамики опор с плавающими втулками учтены их конструктивные особенности и действие на ротор и втулки произвольных нагрузок.

2. Для определения сил, действующих на подвижные элементы опор с ПВ и ПН втулками, а также гидромеханических характеристик, разработан адаптиви и и тл и ный многосеточный итерационный метод интегрирования уравнения Рейнольд-са, который не накладывает каких либо ограничений на геометрию поверхностей, ограничивающих смазочный слой, обеспечивает устойчивость и повышенную скорость сходимости итераций в широком диапазоне конструктивных параметров опор.

3. Задача устойчивости ротора и втулок в линейном приближении решена не на основе приема линеаризации, а с помощью детально разработанной универсальной процедуры прямого численного интегрирования уравнений движения.

4. Впервые получены результаты расчета нелинейных колебаний и гидромеханических характеристик опор с ПВ и ПН втулками под действием ударных нагрузок, обусловленных колебаниями малоразмерной турбомашины с ротором и его подшипниками.

5. Для быстровращающихся роторов малоразмерных турбомашин с использованием разработанного метода обоснованы новые конструктивные схемы опор с ПВ и ПН втулками с улучшенными гидромеханическими характеристиками.

6. На примере нетрадиционной области применения опор с ПВ и ПН втулками показана возможность создания конструкций подшипников для коленчатого вала и уравновешивающего механизма двигателей внутреннего сгорания, обеспечивающих существенное снижение потерь на трение.

Достоверность полученных результатов обосновывается: строгостью используемого в работе математического аппаратаисследованиями точности разработанных методов и алгоритмовсопоставлением результатов, полученных автором с известными теоретическими и экспериментальными результатами.

Практическая ценность работы заключается в том, что применение разработанного метода расчета нелинейной динамики и гидромеханических характеристик опор скольжения с плавающими втулками расширяет область его применения для совершенствования конструкций опор с целью решения традиционной задачи обеспечения устойчивости ротора, а также для снижения потерь на трение, температуры смазочных слоев, расходов смазки и улучшения других параметров, влияющих на работоспособность подшипниковых узлов.

Реализация. Разработанные методы расчета и программное обеспечение внедрены и используются при проектировании гидродинамических сложнона-груженных подшипников скольжения на машиностроительных предприятиях: «Барнаултрансмаш», «ГСКБД «Трансдизель», «ГСКБ ОАО ЧТЗ». В РосАПО зарегистрированы программы «РОТОР» (Версия 1.0) и «ТЕМНО» (Версия 1.0).

Апробация работы. Содержание основных результатов работы докладывалось и обсуждалось на научно-технической конференции «Повышение долговечности и качества подшипниковых узлов» (Пермь, 1989 г.), на XII конференции молодых ученых института машиноведения «Актуальные проблемы машиноведения» (Москва, 1989 г.), на международной научно-технической конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» (Самара, 1999 г.), на XXI Российской школе по проблемам науки и технологий (Миасс, 2001 г.), на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (1989, ., 2001 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 научных трудов, включая 9 статей в научных сборниках, 9 тезисов докладов, 5 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты.

1. Метод расчета нелинейной динамики опор скольжения с плавающими втулками, учитывающий их конструктивные особенности, произвольный характер действующих внешних нагрузок.

2. Адаптивный многосеточный алгоритм интегрирования уравнения Рей-нольдса для давлении в смазочных слоях опор с плавающими втулками, позволяющий моделировать наличие источников смазки на поверхностях трения втулок и обеспечивающий устойчивость и повышенную скорость сходимости итерационных процедур в широком диапазоне конструктивных параметров опор.

3. Метод решения задачи устойчивости подвижных элементов опоры в линейном приближении, основывающийся не на приеме линеаризации уравнений движения, а на их прямом численном интегрировании, что позволяет учесть «неидеальную» геометрию смазочных слоев.

4. Метод и результаты расчета нелинейных колебаний опор с ПВ и ПН втулками, обусловленных нагрузками, возникающими при колебаниях турбомаши-ны вместе с ротором и подшипниками.

— 105. Результаты применения разработанного метода для совершенствования конструкций подшипников ротора малоразмерной турбомашины, а также результаты расчета нелинейной динамики и гидромеханических характеристик опор с плавающими втулками для опор коленчатого вала и вала уравновешивающего механизма двигателей внутреннего сгорания.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, 5 глав. Заключения и Приложения, изложена на 170 страницах машинописного текста, включая 69 иллюстраций, 18 таблиц и список литературы, содержащий 98 наименований.

5.3.2. Результаты исследования.

В ходе эксперимента выявлено, что при работе уравновешивающего механизма с валом на подшипниках с ПВ втулками значительно снижается шум и вибрация механизма в целом, а также установлен диапазон скорости вращения вала (й?1=1000.2500 об/мин), в котором заметен эффект использования ПВ втулки. Расчетные (6Л2/Л1)Л л экспериментальные {о)2/щ)л соотношения частот вращения вала и втулки для приведенных выше геометрических параметров подшипников приведены рис. 5.11.

Гидромеханические характеристики сравниваются в табл. 5.3 и 5.4, из которых видно достаточно хорошее совпадение результатов расчета и эксперимента.

Относительная скорость вращения втулки.

0,3.

I;

1000 1500 2000 П1, об/мш.

Рис. 5.11. Относительная скорость вращения втулки: —эксперимент—расчет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные итоги работы сводятся к следующему.

1. Разработанный метод расчета динамики опор скольжения с плавающими втулками дает возможность полнее учитывать их конструктивные особенности и характер действующих нагрузок, что расширяет возможную область применения метода для совершенствования конструкции подшипниковых узлов.

2. Для определения гидродинамических сил, действующих на ротор и плавающие втулки, разработан многосеточный адаптивный алгоритм интегрирования уравнения Рейнольдса, применение которого не накладывает каких-либо ограничений на геометрию поверхностей трения ПВ и ПН втулок, обеспечивает устойчивость и повышенную скорость итерационных процедур в широком диапазоне конструктивных параметров опор. Показано, что для интегрирования уравнения Рейнольдса целесообразно использовать три сеточные уровня с числом интервалов на самой мелкой из них М (р = 96, =25. Относительные погрешности расчета давлений при этом не превышают 10″ '/, а характеристики устойчивости и гидромеханические характеристики определяются с погрешностями не выше 3%. Эффективность разработанного алгоритма вдвое выше известных его версий, не предусматривающих перехода с мелких сеток на крупные.

3. На примере подшипников ротора серийного турбокомпрессора ТКР-8,5 выполнено сравнение характеристик устойчивости подвижных элементов опор с ПВ втулками в линейном и нелинейном приближении. Для построения диаграмм устойчивости равновесного положения центров шейки ротора (шипа) и втулки разработан универсальный алгоритм, базирующийся не на приеме линеаризации уравнений движения, а на их прямом численном интегрировании. Оценено влияние на динамику подвижных элементов серийной опоры турбокомпрессора ТКР-8,5 ударных нагрузок. Установлено, что амплитуды колебаний ротора и втулок под действием ударных нагрузок остаются ограничены, а их величины всегда заметно меньше, чем у обычной опоры.

4. Для малоразмерных турбомашин установлены закономерности в изменениях характеристик устойчивости и гидромеханических характеристик опор с ПВ и ПН втулками для широкого диапазона массогабаритных, конструктивных, скоростных и нагрузочных параметров. Предложена новая конструктивная схема вращающейся втулки, обеспечивающая снижение температуры смазочных слоем на Ю^С, амплитуды колебаний до двух раз.

5. Проанализирована возможность применения для подшипников роторов малоразмерных турбомашин невращающихся моновтулок с торцевой и центральной схемами подачи смазки. Показано, что по совокупности гидромеханических характеристик конструкции опор с ПН моновтулками уступают конструкциям опор с вращающимися втулками.

6. Разработан комплекс программ предназначенный как для расчета характеристик устойчивости роторов, так и гидромеханических характеристик опор с ПВ и ПН втулками в нетрадиционных областях их применения и, в частности, в качестве опор коленчатого вала и вала уравновешивающего механизма двигателей внутреннего сгорания. Показано, что применение опор с ПВ и ПН втулками в нетрадиционных областях снижает потери на трение на 15−50%, а также способствует улучшению других гидромеханических характеристик.

7. Выполнены экспериментальные исследования опор с ПВ втулками вала уравновешивающего механизма двигателя Д-160. Установлено, что расчеты разработанным методом с приемлемой для практических задач точностью совпадают с экспериментальными результатами.

8. Разработанные методы расчета и программное обеспечение внедрены и используются при проектировании сложнонагруженных гидродинамических подшипников скольжения на машиностроительных предприятиях: «Барнаул-трансмаш», «ГСКБД «Трансдизель», «ГСКБ ОАО ЧТЗ». В РосАПО зарегистрированы программы «РОТОР» (Версия 1.0) и «ТЕМНО» (Версия 1.0).