Разработка и исследование динамики стенда для испытаний быстровращающихся роторов с большим дисбалансом Кулемин, Владимир Юрьевич

Введение к работе

Актуальность пройдеш. Сяожившевоя положений в сфер ЙОШУЙ-шй роторов и коллекторов на данаиичэйку» врочаооть требует целе-іаправленяого поиска пршодшиалгно новых конструктивных схем яопм-гателышх стендов. Это вызвано негколькиыи причинами: крайне низкой стойкостью опор валов известных отводов; нестабильностью ра-5оты с ендов на высоких частотах вращения? необходимость» увеляче-им испытательной частоты вращения до величин, не достижимых на зудоотвуищих отендах.

Среди факторов, препятствующих проведению испытаний, можно выпалить следующие: переменный даобаланс большой величины, ограни-іенная модность привода, жёоткие опоры у оуществувдкх стендов, вызывающие высокие динамические реакция в опорах, значительно сокращающие их стойкость. Поэтов к новым стендам предаявдякгся повы~ пенные требования, уровень которых напрямую зависит от тенденций роота мощноотно-скороотных параметров современных электромашин, в гом числе и авиационный электрогенераторов. В чаотности, в начале развития реактивной авиации мощзоотъ генератора была порядка 5-Ю кВт, а скорость вращения ротора не превышала 6000 об/мин. Зовремаюшэ генераторы имеют мсднооть, превышающую 100 кВт при Частоте вращения ротора I0O00-I2O0O об/мин. и более. Вей это требует создания стендов для испытания роторов на динамичвсіфо прочность на принципиально новой основе.

ЦеЛЬЮ Работы, ЯВЛЯеТСЯ ПОВШеНИв ДОЛГОВеЧНООТЙ О уЛуЧЯеИЯе 8К0-

плуатационных характеристик механизмов отекдоз для испытания бые-троврашагашхея роторов о большим дисбалансом путйм аналитического и экспериментального исследования динамики этих механизмов и разработка их новых перспективных конструкций.

Для достижения поставленной цели в работа рассматриваются следующие задачи:

1. Выполнение качественного, аналитического и количественного анализов с-ущастзующих стендов различных конструкций о целью определения основных факторов, снияапдах стойкость опор валов о последующим поиском направления создания новых стендов,

2. Разработка динашлэскей и математической моделей стенда, учитывающих особенности процесса испытаний узлов высокоскоростных

электромашн, о посдедущмд анализом адекватности их физическому аналогу.

3, Проведение анаїттчттх и численных исследований влияния конструктивную параметров стенда на динамику вала, в том числе нг характер изменения зон резонансных частот в условиях управляемой разгона ротора, на характер прохождения ротором вон резонансных частот в условиях недостаточной мощности источника питания приво; стенда.

4» Проведение комплекса экспериментальных исследований влияй» разли%шх конструктшндах охем упругой подвеска на способность ва. стенда преодолевать зоны резонансних частот и влияния эффекта Зої мерфедьда.

5. Разработка оріданашшх «рогрессивщд конструкций стендов для проведения испытании" а условиях серийного производства й реян ние вопросов шедредвя результатов исследований в производствещ практику.

Ш.Х9Ш ЖДадэания- В рамках настоящей работы были выполнены теоретические и экспериментальные, исследования ДЛЯ двух тицов от дов> лшлщих одяоопорную и двухопорну» схемы додзаоки прввода, Цроведена оценка адекватности математической модеяз еЭ реальное аналогу. На основе анализа результатов численных а эксперяментал них исследований разработаны рекомендации по разработка испытате них стендов принципиально новой конструкции.

Теоретические исследования проводились в два этапа:

nepbsiS этап - аналитическое исследование существующих схем стендов а шпиндельных узлов,

второй «уед ~ численное иссд&доааниа малых колебаний привод установленного на упругие опоры постоянной ш церемонной жесткост

Для часлешюго решения уравнений, опнсішцодах движение привод стенда, исцод»3овалаеь ЭШ типа ВЭСМ-6.

Экспериментальные исследования включили в себя измерения ампл тудно-частоткш: характеристик приводов экспериментальных стендої при различных схемах упругой подвески,

Яичная щшчзиа таботц заключается в следующей;

I. Разработаны новые подхода: к оценке влишшя дисбаланса на і камику вала испытательного стенда, работающего за второй крзтиче кой скоростью.

2. Теоретически обоснована и экспериментально показана возможность использования в стендах для испытаний на дяшамическую прочность схоміі одпоопорной подвески' привода, имущей малую радиальную жесткость и большую угловую жёсткость.

3. Экспериментально установлено, что ротор, имеодкй переметши дисбаланс, преодолевает зоны первой п нтороЯ критических частот о приемлемыми амплитудами п реакциями в опорах, как пря ДвухсиорноЯ, так и при одноопорноЯ схемах упругой подвески корпуса привода. стенда.

4. Показана возможность резкого уменьшения амплитуд колебав^ ротора в зонах первой и второй критических частот в услогпйд: управляемого разгона я выбега вата стенда в случае непосредствегло-го регулирования жёсткости упругих опор как некоторой функций от частота вращения.

Практическая иеннрсгь работы., Создана инженерная методика Для проведения расчётов и внрабоіаїш практические рекомендапдй до проектированию стендов для испытаний роторов на динамически» прочность.

Разработаны, принципиально новые конструкции стендов ш определено перспективное направлеіше юс развития, в тон числе схчмй стендов, с опорами регулируемой жёсткости.

Созданы два типа испытательных стендов „ ямотаих рабочей »<сша-зон частот вше второй критической частоты и нсклэтявдих леяаяе-ние эффекта Зошерф&льда, что позволило решить проблем проведения испытаний высокоскоростных генераторов в условиях сорийпого производства.

Результаты работы внедрены на Сарапульском злектрогенерьторц-',м производственном ооЧединенаи. Ислытатзльныа стенды выпускаются на нем мелкими сериями.

Дпйобадия, работа. Результаты работы доклеивались на конфа« реншях в нашей стране л за рубежом, в том числе на международном самгюзиуко в Симеизе в 1990 году и летаокольнсм семинара по динамике машин в Варне в IS90 году. Работа была заслушана на научной семинаре института механики Ижевского Государствоююго тоншчес кого университета.

ЙЕ&ШШШи По материалам диссертации опубликовано шесть статей Иіадчано баторскоа видетедьство на изобретение, подана одна заявка на «редшяагавмое изобретение.

Сдруктурд и. объём шботн. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения; она содержит 198 СлраВйИ машинописного текста, 56 рисунков, 3 таблицы, 10 страниц приложения.

Диссертация посвядена решещоо проЛяемы по проведений испытаний роїороь с большим дисбалансом на динамическую прочность на специаль них стендах, проводимых посредством раскрутки ротора с частотой, по лудароїфсітно прввшаицкй номинаньну» частоту вращения.

р^1ерьой_г^1йШ рассмотрены производственные аспекты испытания роторов не сшкальных стендах. Отличительной особенностью таких ио пнтаний явдаатся изменение ьельчиїш и места расположения дисбаланса в ротора, что вносит свои нюансы в процесс выхода вала стенда на яа данные обороты*-Саш испытания проводятся в широком диапазоне частот от двенаддйїй До восемнадцати тысяч оборотов в минуту, При этом масса одного ротора составляв!⁴ десять-двенадцать килограмм. При испытаниях роторов q баяндим дисбалансом найлавдаатся ьффект Зоммерфап да, проявляющийся в "эасграваяаи" ротора (вала) на критической частота. Кроме того, имеют место разрушения роторов в процессе испытаний» пра vpom ротор разруваэтся по частям, соответствошю растет дисбаланс, что отр^натбльным образов сказывается на подаигшиках вала стенда. Похожее явдеда».имеет место при испытаниях абразивных кругов на прочвисть, где разрушение круга происходит мгновенно, ода наково во ьсех направлениях.. При этом на валу не остается.дисбалансирующей miccu, что отличаек сравниваемые процессы,' Практика проведения испытаний на существующем оборудовании доказала, что примене-, нке жёстких валов с жёсткими опорами, а їакно гибких валов в стендах неприешшмо в соврааегиьпс условиях. Обзор литературы показал, что повышенна стойкости опор валов традиционными путями на даёг необходимого снижения реакций в подшипниках испытательных стендов. . Поэтому на основа предварительного анализа алмйрнитивных путей по сннжени» реакций в опорах валов с учетом намеуюшихся тенденций в

современных высокоскоростных шпиндельных узлах по повышению стойкости подпишшков выбрано направление, основанное на эффекте самоцентрирования ротора за второй критической скоростью, позволяющее значительно снизить реакции в опорах валов стендов. Отсюда задачами исследований являются:

1. анализ причин, препятствующих прояедвшда испытаний на существующих стендах, определение основных факторов, сняиащих стойкость шарикоподшипниковых опор; разработка принципиально новой схемы стенда для испытания быстровращающихся масс с большим дисбалансом,

2. исследование влияния конструктивных параметров привода стенда на динамику ротора.

3. проведение экспериментальных исследований на стендах, имеющих различные схемы упругой подвески привода.

4. определение факторов, вызывающих появление эффекта Зовдер-фольда при испытаниях роторов.

5. разработка алгоритма управления разгоном ротора через зоны критических частот вращения с мшшмашшми амплитудами колебаний привода и минимальными реакциями в подшипниковых опорах ротора.

Во второй глсве Проведен анализ различных схем стендов и шпиндельных узлов, дано обоснование новой схемы стенда, снижающей жёсткость систему "ротор-опоры". Рассмотрен» причины, вн&ызакияэ потерю устойчивости гибкого вала стенда, среди которых наиболее весомой является внутреннее трение, особенно при частотах вращения выше первой критической. Причём при сколь угодно малом внутреннем трении система устойчива, если

W<0 (I)

где: W - частота вращения вала, Р - его собственная частота. Следует отметить, что введение внешнего трокия позволяет лишь несколько расширить зону устойчивого вращения гибкого вала выше первой критической частоты, но не устранить влияние дестабилизирующего действия сип внутреннего трения, поэтому система имоєї «граничение сверку по частоте вращения, которое получено в видєї

IV < Р +Еу*/яРт (2)

где: В - модуль упругости, ^** - коэффициент внешнего трения, К - коэйициенг вязкости материала вала, /л - масса диска.

Лнализ схемы шпиндельного узла о двумя упругими опорами показал, что в зона самоцентрирования за второй критической окороотью реакции в опорах определяются по формулой:

4=- ^а_к + ^м_ке« a, -t_K)

(3)

где; R_t , Я* - реакции в опорах, *0 - угод наклона оси вала « ооа вращения, / * i_t + 1_г - расстояние меаду подшипниками, А/# - масоа корпуса, 8/с - экваториальный момент инерции корпуса, ^ - расстояние от центра процессии до центра масс.

Дри совмещении центра «асе корпуса шпинделя с центром прецессии
вторые слагаеШДа 8 (3) обращаются в нуль. В другой исследуемой
схеме, где одна опора упругая, а другая в виде сферического шар
нира, самоцентрирование оси вада наотупаег сразу за первой крити
ческой скоростью и сохраняется до подхода ко второй критической
скорости, но реакции в её опорах больше, чей в схеме с двумя упру-
гкия опорами на ведщ<юну пропордиоиадьную реакция в шарнирной опо
ре: 1 а

%(г_к -м_хе_ха, -е_к)-si*j ^ю

где:R - реакция в щариирной опоре.

Для отцфделег'я влияния в^фекта Зоммерфедъда на динамику стенда и неооходвмше мер дм устранения его влияния на работу стенда рассмотрена упрощенная модель стенда, состоящая из невесомого Вала с несбалансированной массой /7 на конда, упругой опоры массой / имеющей хёстКОСть С «

Показано, что стабилизация частоти «радения вала наблюдается в интервале:

_WW ^ю

где: л? ш УЦ+ /ttg , і - эксцентриситет.

На практике стабилизация частоты вращения наблюдается непосредственно за критической частотой при увеличении потребляемой ыощ-

косги привода. Внешне ото проявляется в "застреваний* вяла хга йа~ которой частото вращения я указанном интервале - так называемый эф$окт Зоммер-Іельда.

На осново проведенного анализа и опйтне-конструкторейіх работ создана конструкция экспериментального стенда о упругими опорами, установленными между рамой я корпусом привода стенда. В качество приводного двигателя выбран асинхронна;! двигатель повшеїшой частоты, позволяющей в сочетании с упругими опорами уверенно проводить вал стенда за резонансный диапазон частот вращения а тем самым исключать появление эй«кта Зомморфельда.

3 третьей главе описываются экспераменталыше дсслодоваїшя, для проведения которое разработан экспериментальный взморлтолышй комплекс (рпс.1). Необходимость разработки собственного язмеряуаль-ного комплекса вызвана следующими причинами: высокой динамичностью прошсса разгона ротора стенда; большой крутизной фронтов амплитуд колебаний корпуса привода пря взмороннях в системе реального времена; сбором данных из нескольких источников, например, частота вращения ротора и соответствующая амплитуда колебаний, изыеретшэ в различшх точках привода стенда,.

Для измерения частоты вращения ротора бил разработан специальный бесконтактный датчик оборотов, так как на больших частотах в радения контактные датчики но могут работать в длительном рсядМв,

Обработка данных, полученных в результате проведеїшя числеішо-го и натурного экспериментов, проводились с помощью специально разработанной программы, которая строит амилитудночастотнугс характеристику привода стенда с лоиоиью методов сплаЯн-лплроксимаплн я г интерполяции, В данном случае аспользован споциалышЯ быстродействующий контроллер, обеспечивающий сбор дій и их с частотой до 100Гц. Контроллер одновременно измеряет частоту вращения ротора и ачплиту-ду колебания привода в двух точках.

З результате проведения экспериментов сняты амплитудно-частотные характеристики привода стенда при различных условиях нагруяенпя: различное количество испытываемое роторов, различная поллчина дисбаланса при изменении частоты враэенпя в широком диапазоне от 0 до 18000 об/їіин. Установлено, что с увеличением дисбаланса ротора ка-блсиается э>;ект Зсммер4«льда, появляхшйся на второй критической частоте,

Рио.І. Экспериментальный измерительный комплекс

І. Экспериментальный стенд; 2. Пульт упр 3. Баброиэыератадь; 4. Система питания*

Л/jilm)

W(pafo

Рис.2. Влиянес количества одновременно пспытиваомых роторов на длнамику одноопорного стеїша ( - амплитуда колебаний корпуса в плоскоста верхнего подшипника).

-II-

В ходе эксперимента вводилось дополнительное сухоо трение в упругие опоры стенда, в результате чого наблюдалось снижение амплитуда колебаний в зонах резонансних частот вращения ротора. При атом в зоне за второй критической частотой имело место незначительное увеличение амплитуда колебаний привода.

Влияние количества одновременно испытываемых роторов на данемп-ку привода исследовалось їй стенде, виполнешюм по одноопорной схеме. При этсм установлено, что о увеличением количества роторов, находящихся на валу стенда, амплитуда колебаний привода снижается наиболее интенсивно в зоне второй критической частоты при постоянной величине дисбаланса (рис.2)..

ft четвертой гларе проводились числетше исследования для одно-и двухопорной схем стенда. С целью определения реакций в подшипниках ротора были составлены две системы дифференциалышх уравнений, описывающие движение ротора и привода стенда. Первая система уравнений описывает движение привода стенда (6), вторая оиотема уравнений позволяет определить реакции в подшипниках 17),

Mic +C,tt_c *?_0/d)+h (z_c +?&<*) +Сг &c +?оі <*) *

+h_z (z_c +Є₀,с() -m₀eu^zexp(icjt) \ 8d-i(jAd +c_t6_0l(z_e *6„,c0 +h, f_of (z_s +o

І -*"7₀еЄ₀и²ехр(іиі)

М_р (їс *вМ)" -R_t -R₂ +m₀ea^zexp (cut) ' Bp,d-(cjAa « -U, SJR, ~(L₂ -Є,)Я_г -I -Mpf CosGU_reM^₀e(e^e,Jo²exp(iot)

где ://=/%+/*,.- суммарная масса ротора и корпуса привода, Z - комплексная координата общего центра масо, СЇ - комплексная угловая координата привода, /7}₀В ~ дисбаланс ротора с испытываемой массой, PL, Л,- продолыше координаты соответственно для первой и второй упругих опор, отсчитываемые от обцаго центра масо, О - угловая частота вращения ротора.

С/, Ц- коэффициенты жйстісости первой и второй упругих опор, h_t*hp~ коэффициенты демпфирования первой и второй упругих опор, А - полярный момент инершш ротора, fl'Ba*6h~ Я^ШВі экваториальных моментов инерции ротора и корпуса относительно оса, проходящей чорез общий центр масс. Dpi - экваториальный момент янорции ротора относительно оси,

проходящей через его центр масс, L//L2- продольные координат» подшипников,

₀ - продольная координата, отсчитываемая от общего центра тсс до плоскости, в которой расположен дисбаланс,

? - ускорение свободного падания,

О - угол наклона оси привода от вертикали.

Совместное решение систем (6,7) проводилось на ЭК.! БЭСМ-6. На основе полученных данных били построены амплитудно-частотные характеристики приводов стендов и зависимости величини роакцкЯ в нодшиїшикоЕЧХ спорах от частоти врауенпя.

Сравнение амплитудно-частотных характеристик, полученных расчетным путём, с данными эксперимента показало их довольно высокое совпадение. Это явпяется свидетельством того, что выбранная математическая модель с приемлемой точностью описывает процесс выхода привода стенда в зону рабочих - гарезонансішх частот врааснлл ротора. Показано, что величина реакций в подшипниковых опорах в зонах работах частот вращения ротора мала и не окагцпает влияния на долговечность шарикоподшипников, установленных в приводе. 3 случае с доухопоркоЛ схемой полвоски привода стенда сравнение вариантов с различной жесткостью опор показало, что величина реакций в абсолютно жёстких опорах как минимум на порядок выае величніш реакций в упругих опорах, устаноплеїишх на экспериментальном стенде (рис.3).

В случае одноопорной схомн подвески привода установлено, что расположенно упругой опоры в плоскости расположения верхнего подшипника приводит к резкому (пятикратному) увеличению значений амплитуды колебаний привода и реакций в подоилниках по сравнению с вариантом расположения упругой опори в плоскости нижнего подшипника (Рис.4).

Снижешго реакций в подшипниковых опорах п;»і прочих равных условиях наблюдается при увеличении полярного момента пкоріки, в данном случае при увеличении числа одновремешісі испытквас?л;х роторов.

ігоо

У(рад/с)

ЙіИ)

Рио.З. Реакции в подшипниках при упругой установке привода Я,, fy и на абсолютно жйстких опорах Л', R'_x

М(рйдн.)

юо гоо зоо

Рис.4. Реакшш при расположения упругих опор в плоскости нижнего 1,2 п верхнего I*,2' подшитшков (Г- нижний, 2- верхний подшипники)

I

я

^щ I

- ся И

- о

о m о»

ер сі

Я И

|1

Я <а>

о 6 о, 3 И и

С другой стороны, применение более тяжёлых сплавов для корпуса привода влечёт за собой рост реакции в подшипниковых «порах, особенно в зоне рабочих, частот вращения ротора.

Полученные результаты полонены в основу рекомендаций для выбора схем а конструктивных параметров стенда для испытаний роторов с большим дисбалансом.

g пятой главе ' описаны конструкции стендов, промышленное производство которых освоено на Сарапулъском электрогенераторном объо-дпнонии. Показаны два направления,, по которым разрабатываются промышленные образцы стендов для испытаний роторов на динамическую прочность. Первое из направлений - это стенды, преднаэпачэшшо дія испытания роторов с переменным дисбалансом, система упругой подвеска которих выполнена по двухопорвой схеме (рис.5). Второе направление - это стенда, предназначенные для испытаний одновременно нескольких роторов» шеюцвд преимущественно постоянный дисбаланс и имеющие однооиорную схему упругой подвески (рис,6).

Из анализа, проведенного для стенда, выполненного по одноопор-ной схеме упругой подвески, при различных значениях жёсткости упругой опоры, следует, что существует возможность оптимизации разгона ротора через зоны резонансных частот при минимальных реакциях в подшипниках и амплитудах колейшшй. С целью минимизации реакций в подшипниках и амплитуды колебаний разработан алгоритм, учитывающий значения амплитуды колейшшй и реакций при различных значениях жёсткости для каждого значения частоты вращения ротора и выбирающий при этом оптимальную хйсткость в соответствии о задштой функцией регулирования,,

основные шводы по работе

В итоге выполнения настоящей работы, «освященной решению комплексной задачи разработки и исследования стеидоз для испытания имеющих большой дисбаланс быстровращамщихся роторов в широком диапазоне рабочих частот с одновременным обеспечением высокой надёжности указанных стендов, получены ел едущие основные результаты:

I. Выполнен анализ конструкций известных гаштателышх стендов а шщшдельнюс узлов, лсказаны основные направления и тенденции совершенствования указанного оборудования. На основания анализа предложена п обоснована принципиально новая конструкция стенда, осна-

щенная оригинальной системой упругой подвески привода;

2. Разработаны обобщенная динамическая и соответствующая ей математическая модели стендов, учитывающие упругие свойства опор привода, жёсткость его вала и массо-геометрические параметра стенда. Выполнены аналитические исследования схем стендов с целью теоретической оценки различных вариантов совершенствования стендов. Показана перспектива реализации охеы стендов с жёстким ваш привода на упругих опорах;

3« Выполнен комплекс численных исследований влияния конструктивных параметров стендов на его динамические свойства при различных режимах работы и вагруженил, в диапазонах резонансных и рабочих частот, при различной мощности источника питания привода стенда.

Похучены условия, необходише для преодоления отрицательных эф-фактов, возникающих в зонах резонансных частот вращения ротора и предложены конструктивные методы их преодоления.

Теоретически показано, что при увеличении числа одновременно испытываемых роторов снижается амплитуда колебаний и реакции в подшипниковых опорах в зонах резонансных частот;

4. Создан экспериментально-измерительный комплекс и проведены экспериментальные исследования динамики стендов, имеющих упругую подвеску привода при одно- и двухопорной схемах. На основании сопоставления результатов экспериментальных и деленных исследований подтверждены данные выполненного теоретического анялиза и показаиг адекватность построекчой математическое модели стенда реальному объекту.

Ііолучзігл новые экспериментальные данные о влиянии на динамику стенда числа одновремеїшо испытываемых роторов, ряд конструктивных параметров стенда (жёсткость и распоряжение упругих опор, масса ротора, мощность привода и др.) и рехимов его работы;

5« Полученные результаты аналитических, численных и экспериментальных исследований положеїш в основу разработанной методики проектирования стендов для исштаїшй роторов на динамическую прочность при широком диапазоне частот их вращения и допустимом значительном дисбалансе, ооладающих повышенным ресурсом подшипниковых опор и устойчивых к отрипательныг.1 эффектам, в частности, к эффекту Зоммер-Яельда;

6. Покапаны перспективные направления развития схем а конструкций стендов для проведения испытаний роторов :-;а динамическую проч-

Кость, предложен оригинальный алгоритм управления режимом разгона привода, позволяющий минимизировать амплитуды колебания и реакции в подшипниковых опорах на воем диапазоне частот вращения;

7. Разработаны промшшенкао конструкции испытательных стендов нового типа для проведения испытаний роторов и коллекторов авиационных генераторов массой от I до 10 кг при частотах вращения до 18000 об/мин. при одновременном испытании до 5 изделий, имеющих большой дисбаланс. Внедрение стендов резко повысило производительность испытаний и надёжность стендов (более чем в Ю раз).

Серийноа производство стендов освоено на АО Сарапульокий электрогенераторный завод.