Разделы: Машиностроение
Размещена 21.02.2016. Последняя правка: 21.02.2016.
Просмотров - 2651

АДАПТИВНАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ОПОРА ВЫСОКОСКОРОСТНОГО РОТОРА С УПРУГИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ МЕХАНИЗМА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Кожухов Максим Алексеевич

аспирант

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Приокский государственный университет"

стажер-исследователь

Сытин Антон Валерьевич, кандидат технических наук, доцент. Рябыкина Ирина Александровна - магистр, кафедра Мехатроника и международный инжиниринг, ФГБОУ ВО Приокский государственный университет

УДК 602.17

В различных отраслях человеческой деятельности все более широкое применение получают механические системы с высокими скоростями вращения ротора. Развитие военной, ракетно-космической и транспортной техники нового поколения, которое  представляет собой одну из критических технологий Российской Федерации, предусматривает создание и использование в своей структуре качественно новых опорных узлов с неограниченным ресурсом и частотой вращения ротора; также немаловажными являются вопросы энергосбережения в механической системе в процессе работы роторно-опорного узла. Получить опорный узел, характеристики которого будут удовлетворять критериям описанным выше, становится возможным путем разработки принципиально новой опоры (магнитный подвес) или благодаря модернизации и синергетическому эффекту уже известных конструкций подшипников (комбинированная опора ротора - КОР). Наиболее приемлемым направлением развития данной области являются исследования связанные с разработкой комбинированных конструкций подвесов роторов.

О потенциале возможного использования опор комбинированного типа стало известно в 70-х годах XX века. Началом разработок КОР принято считать научно-исследовательскую программу, запущенную NASA (США) под названием Space Shuttle Main Engine Long-life bearing (подшипники повышенной долговечности для двигателя корабля многоразового использования Шатл). Программа была нацелена на разработку роторно-опорных агрегатов ракетных двигателей с многократными режимами пуска и останова, а также повышение ресурса работы.  В турбонасосе высокого давления корабля многоразового использования, ротор опирался на подшипниковый узел, состоящий из ПК и ПС по последовательной схеме [7]. В настоящее время активизировался практический интерес к подшипниковым узлам комбинированного типа. Существующее многообразие вариантов комбинированных опор не является ограничивающим фактором инженерной мысли направленной на поиск новых оптимальных решений в этой области; остаются вопросы, ответы на которые на сегодняшний день не получены. К таким следует отнести изучение характеристик КОР, где роль смазочного материала выполняют маловязкие жидкости; поиск оптимального варианта механизма переключения режима работы и т.д.

Одно из направлений совершенствования конструкций роторно-опорных узлов  это реализация принципа адаптивности функционирования механизма переключения режима работы опоры. Адаптивные системы мало используются в технических механизмах в силу их большей сложности. Вместе с тем, в сложных условия работы такие системы позволяют значительно повысить качество управления и достичь лучших технических показателей. Принцип адаптивности, в частности, заложен в некоторые технические решения комбинированных опор с упругой втулкой (патент РФ № 2082027) и с подвижными колодками (патент РФ №2073801). Среди других вариантов адаптивных подшипниковых опор следует рассмотреть схему роторно-опорного узла представленную на рисунке 1. Комбинированная подшипниковая опора состоит из корпуса и интегрированных в нем подшипника качения и подшипника скольжения. На внутренней поверхности полого вала установлены упругие металлические пластины, которые способны деформироваться под действием центробежных сил. Также они выполняют роль элементов, предназначенных для установки и крепления наружного кольца подшипника качения в моменты пусков и остановов и опорными поверхностями подшипника скольжения на основных режимах работы.

Рис. 1. Комбинированная опора высокоскоростного ротора с упругими элементами механизма переключения

Комбинированный подшипниковый узел работает следующим образом: в момент запуска машины вращение вала 3 и передача нагрузки на корпус 1 осуществляется через подшипник качения 2. Восприятие крутящего момента вала наружным кольцом подшипника качения реализуется за счет сил сцепления, возникающими между упругими металлическими пластинами и наружным кольцом подшипника качения. При растущей частоте вращения происходит процесс деформации упругих металлических пластин под действием центробежных сил, что приводит к образованию одной из поверхностей подшипника скольжения на внутренней поверхности вала. В этот момент прекращает свою работу опора качения, вращение наружного кольца которого осуществляется за счет момента трения опоры скольжения. Когда механизм останавливается выполняются обратные процессы.  За счет использования упругих металлических пластин повышаются  демпфирующие свойства подшипникового узла, что положительно сказывается на устойчивости вращения ротора машины. При ударных нагрузках и неустойчивой работе подверженность опоры повреждениям снижается за счет дополнительного поворота вала в подшипнике качения.

В комбинированных опорах возможно применение подшипников качения любого вида. В качестве базовой опоры следует выбрать шариковый радиальный подшипник качения. Данный факт объясняется идентичностью принципа работы всех опор качения, т.е. независимо от форм тел качения, можно говорить о применимости результатов исследования и на роликовые подшипники, которые будут иметь только количественное расхождение, обусловленное отличной от шариков геометрией контакта [1]. Подшипники качения являются стандартизированными элементами деталей машин, поэтому при их проектировании целесообразно использование уже имеющихся инструментов и методов расчета [3,2]. Определение восстанавливающей силы опоры качения базируется на теории контактных деформаций Герца, а также следует не забывать о влиянии упругих свойств колец и тел качения. Одним из основных параметров, характеризующих подшипник качения является его динамическая грузоподъемность, которая определяется постоянной радиальной нагрузкой C_д - нагрузкой, воспринимаемой подшипником в течение номинальной долговечности в один миллион оборотов. Математически эта зависимость выражается в виде условия прочностной надежности по динамической грузоподъемности:

где a₁ − коэффициент надежности; a₂ − коэффициент смазки и материала; k – показатель степени, отражающий геометрию контакта «тело качения – кольцо подшипника»; n − частота вращения; C_д − динамическая грузоподъемность подшипника качения; F∑ − эквивалентная нагрузка на подшипник.

При проектировании комбинированных опор роторов, в конструкцию которых входят подшипники скольжения, следует обратить внимание на интегральные характеристики опоры жидкостного трения, а именно грузоподъемность W, объемный (или массовый) расход смазочного материала Q, потери мощности на трение. В качестве основной теории при расчете силовых факторов подшипников скольжения положена классическая гидродинамическая теория смазки [4,5,6].

Суммарная грузоподъемность подшипника определяется по формуле:

где R_i, R_j, R_x, R_y – реакции смазочного слоя в соответствующих направлениях, которые определяются путем интегрирования полей давлений:

Важным этапом исследования адаптивной комбинированной опоры высокоскоростного ротора с упругими элементами механизма переключения является моделирование связанное с созданием имитационной модели переходных режимов работы системы. При составлении математической модели комбинированной опоры необходимо учитывать взаимовлияние трёх составляющих исследуемой опоры: реакций со стороны подшипника качения, подшипника скольжения и упругих металлических элементов, представляющих собой механизм переключения. Наиболее значимой характеристикой комбинированной опоры ротора является временной интервал, когда происходит переход опоры с режима опоры качения на опору скольжения. Сразу после того как ротор приходит в движение возникают центробежные силы, вследствие чего наблюдается упругое деформирование лепестков. При этом минимизируется нагрузка на внутреннее кольцо подшипника качения. В этот же момент возникает гидродинамическая реакция смазочного слоя подшипника скольжения. К тому времени, когда опора приближается к переключению режима работы несущая способность подшипника скольжения должна равняться внешней нагрузки. Работа ротора на заявленной частоте вращения происходит когда опора функционирует в режиме подшипника жидкостного трения.

1. Базлов Д.О. Динамические характеристики комбинированных опор с упругими эле-ментами переключения роторных машин: дис. … кандидата техн. наук : 01.02.06 / Баз-лов Денис Олегович – Орел, 2013. – 35 с.
2. Бейзельман Р.Д. Подшипники качения. Справочник [Текст] / Р.Д. Бейзельман, Б.В. Цыпкин, Л.Я. Перель // − Изд. 6-е, перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1975, 572 с.
3. Перель Л.Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник / Л.Я. Перель, А.А. Филатов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машино-строение, 1992. – 608 с.: ил.
4. Равикович, Ю.А. Конструкция и проектирование подшипников скольжения агрегатов двигателей летательных аппаратов [Текст] / Ю. А. Равикович – М. : МАИ, 1995. – 60 с.
5. Савин, Л.А. Моделирование роторных систем с опорами жидкостного трения: моно-графия / Л.А. Савин, О.В. Соломин. М.: Машиностроение - 1, 2006. – 424 с.
6. Савин, Л.А. Теоретические основы расчета и динамика подшипников скольжения с парожидкостной смазкой : дис. д-ра техн. наук : 01.02.06 / Савин Леонид Алексеевич. – Орел, 1998. – 352 с.
7. Butner M. F. Space shuttle main engine long-life bearings. Final report / M. F. Butner, B. T. Murphy // NASA-CR-179455, Rockwell International Corp., 1986. − 163 p.

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий