Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В высокоскоростных машинах наиболее нагруженными и ответственными элементами, определяющими работоспособность и ресурс изделий, являются роторно-опорные узлы. Создание новых, более производительных турбомашин связано с повышением частот вращения их роторов, что приводит к возрастанию действующих в опорах сил и виброперемещений. Использование в качестве опор подшипников качения ограничено их предельной быстроходностью и долговечностью, поэтому широкое применение нашли гидростатодинамические подшипники скольжения (ГСДП), позволяющие обеспечить надежное вращение ротора в широком диапазоне скоростей и нагрузок.
Применение в качестве смазочных материалов подшипников скольжения маловязких криогенных жидкостей ставит ряд задач по обеспечению работоспо-:обности роторов в условиях появления паровой фазы, которая меняет характе-эистики подшипника, его упругие и демпфирующие свойства. Недостаточная изученность влияния вскипания и парожидкостного состояния криогенного сма-ючного материала, упругих и термических деформаций элементов роторно-эпорного узла на устойчивость и колебания системы "ротор - подшипники жольжения", а также выдвигаемые практикой задачи улучшения характеристик зысокоскоростных турбомашин, снижения вибраций, повышения их ресурса и гадежности определяют актуальность проведенных исследований.
Настоящая диссертация выполнялась в рамках договоров о научно-гехническом сотрудничестве ОрелГТУ с научно-производственным объедине-шем «ЭНЕРГОМАШ» им. академика В.П. Глушко (г. Химки), КБ «ХИММАШ» ш. A.M. Исаева (г. Королев, Московской обл.), а также по программе Мини-:терства образования РФ «Научные исследования высшей школы в области Транспорта» (раздел 5.2: «Транспортные ракетно-космические системы») 2000 г.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ. Целью диссертационной работы является изучение за-юномерностей движения роторов и обеспечение их устойчивости на подшипни-:ах скольжения в условиях вскипания смазочного материала.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
разработать математическую модель, методы и программное обеспе-іение для расчета амплитудно-частотных характеристик, динамических коэффициентов, резонансных частот и границ устойчивости движения роторов на юдшипниках скольжения, смазываемых криогенными жидкостями;
провести вычислительные эксперименты по изучению влияния вски-іания смазочного материала на колебания и устойчивость роторов;
проверить соответствие разработанной математической модели реаль ным процессами в системе "ротор-подшипники скольжения" путем проведение сравнительного анализа с результатами опытных исследований;
разработать рекомендаций по проектированию роторов на подшипни ках скольжения с криогенной смазкой.
разработана математическая модель расчета колебаний и устойчивости роторов на ГСДП в условиях вскипания смазочного материала;
установлено и теоретически обосновано влияние вскипания смазочного материала на динамику роторов на ГСДП и на основании полученных резуль-татов предложены рекомендации по проектированию быстроходных роторны> систем на подшипниках с криогенной смазкой.
МЕТОПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Анализ динамических характеристик систем "ротор-подшипники скольжения" выполнялся с использованием метода малых колебаний и метода траекторий. В первом случае составлялись характеристические уравнения возмущенного движения ротора и осуществлялся анализ устойчивости методами Рауса-Гурвица и D-разбиений. При использовании метода траекторий проводилось численное интегрирование системы дифференциальных уравнений, включающей уравнения гидромеханики, упругости и теорш: колебаний.
Расчет полей давлений в смазочном слое подшипника осуществлялся на основании совместного решения уравнений Рейнольдса, баланса энергий и расходов, а также соотношений термодинамических параметров. Решение системы уравнений проводилось методом конечных разностей.
Для аппроксимации табличных данных различных величин применялся метод наименьших квадратов, реализованный в системе MathCAD 7.0. Числен-ное решение задачтграсчета динамических характеристик системы "ротор-под-шипники" проводилось с помощью разработанного автором в среде Borland Pascal 7.0 программного обеспечения.
С_целыолроверки_адекватностиразработанныхтеоретических положенні!
был проведен модельный физический эксперимент на специально разработанном стенде с использованием современной измерительной аппаратуры, а также выполнен сравнительный анализ расчетов и результатов экспериментальных исследований, полученных другими авторами. Экспериментальные данные обрабатывались при помощи пакета STATISTICA 5.0.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ обеспечивается корректностью постановки задачи, обоснованностью используемых теоретических зависимостей, принятых допущений и ограничений, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором на разработанном экспериментальном стенде с использованием современной измерительной аппаратуры, так и другими исследователями, а также внедрением полученных результатов в промышленности.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ заключается в том, что разработанные методы и программное обеспечение для расчета динамики роторных систем позволяют получить амплитудно-частотные характеристики, дают возможность определить границы устойчивого движения ротора в условиях вскипания и парожид-костного состояния смазочного слоя подшипника скольжения, прогнозировать возникновение автоколебательных процессов и определять пути отстройки от них и, таким образом, проектировать систему "ротор - подшипники скольжения" с необходимым запасом по устойчивости и минимальным уровнем вибраций.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы внедрены и используются при проектировании роторных систем высокоскоростных турбомашин в НПО «ЭНЕРГОМАШ» им. академика В.П. Глушко (г. Химки, Московская обл.), КБ Химического машиностроения им. A.M. Исаева (г. Королев, Московская обл.).
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: Всероссийской молодежной научной конференции "XXIV Гагарин-ские чтения", г. Москва, МАТИ им. К.Э. Циолковского, 1998 г.; V Международном совещании-семинаре "Инженерно-физические проблемы новой техники", г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998 г.; Всероссийской математической школе "Современные проблемы механики и прикладной математики", г. Воронеж, ВГУ, 1998 г.; XVI Международной конференции "Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы конечных и граничных элементов" BEM/FEM-98, г. Санкт-Петербург, 1998 г.; Международной конференции "Приборостроение - 98", г. Евпатория, 1998 г.; Международной научно-технической конференции "Итоги разБИтия механики в Туле", г. Тула, 1998 г.; II Международной конференции "Проблемы пластичности в технологии", г. Орел, 1998 г., Tenth World Congress on the Theory Machines and Mechanisms, Oulu (Finland), 1999; Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий», г. Сочи, 1999 г.; IV Международчой научно-технической конференции
«Вибрационные машины и технологии», г. Курск, 1999 г.;, а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Орлов-скогогосударственного технического университета, 1996-2000 гг.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 25 научных трудов, включая 13 статей в научных сборниках и 12 тезисов докладов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложений, списка литературы из 171 наименования и содержит 259 страниц текста, 113 рисунков и 10 таблиц.
