Моделирование многослойных подшипников скольжения при разработке турбокомпрессоров с пониженным уровнем вибраций

Повышение надежности механизмов и машин является актуальной проблемой машиностроения и производства компрессорной техники в частности. В условиях промышленного производства основное внимание при повышении надежности турбокомпрессоров уделяется снижению вибраций ротора, оцениваемых по косвенному диагностическому параметру — уровню вибраций корпуса турбокомпрессора. Как показывает практика, наибольшая доля дефектов турбокомпрессоров, выбракованных при заводских приемо-сдаточных испытаниях, приходится на повышенный уровень вибраций. Одним из направлений снижения вибраций является совершенствование конструкций гидродинамических подшипников ротора, обеспечивающих демпфирование колебаний.

В энергетическом и транспортном машиностроении широкое распространение получили турбомашины с роторами на виброустойчивых подшипниках скольжения. В качестве таковых часто используются опоры гидродинамического трения с промежуточным элементом — плавающей вращающейся (ПВ) или плавающей невращающейся (ПН) втулкой.

Известны попытки создания конструкций подшипников, содержащих, три смазочных слоя, в которых третий смазочный слой выступает в качестве дополнительного демпфера. Подшипник представляет собой так называемый пакет плавающих втулок (ППВ).

Критерии, с помощью которых оценивают степень совершенства конструкции гидродинамических подшипников, формируются на основе анализа набора взаимосвязанных гидромеханических характеристик (ГМХ), определяющих теплонапряженность, износостойкость, усталостную долговечность трибо-сопряжения. К числу наиболее важных характеристик ГМХ относят: амплитуду вибраций цапф ротора, мгновенные значения минимальной толщины смазочного слоя и максимального гидродинамического давления, а также их экстремальные и средние величиныпотери мощности на трениерасходы смазки, вытекающей в торцы подшипника, эффективную (расчетную) температуру смазочного слоя. Для многослойных подшипников значения ГМХ рассчитываются как для каждого смазочного слоя, так и для подшипника в целом.

Моделирование многослойных подшипников скольжения для улучшения их ГМХ сводится к совместному решению трех взаимосвязанных подзадачрасчету динамики каждого подвижного элемента подшипника, определению полей гидродинамических давлений в смазочных слоях, анализу теплонапря-женности сопряжения, результаты которого непосредственно влияют на реологические свойства смазочного материала и поля гидродинамических давлений.

Нелинейный характер используемых моделей связан в первую очередь с определением гидродинамических реакций в каждом из слоев многослойного подшипника. Известно, что их величины зависят от конструктивных особенностей подшипника, которые помимо массогабаритных параметров определяются способами подачи смазки, наличием, расположением и размерами канавок и отверстий, выполненных на поверхностях трения, реологическими свойствами современных смазочных материалов. При включении в число исследуемых факторов конструктивных особенностей подшипников, влияющих на динамику опор, необходимо использовать максимально физически обоснованные модели и методы, основанные на численном решении обобщенного уравнения Рей-нольдса. Использование упрощённых методик определения полей гидродинамических давлений, базирующихся на теории «короткой» опоры или каких-либо приближенных аппроксимирующих зависимостях принципиально не позволяет получать результаты, пригодные для практического использования. Учету конструктивных особенностей опор с плавающими втулками в известных методах расчета их динамики уделяется недостаточно внимания.

При оценке теплонапряженности многослойных подшипников важно максимально точно учитывать тепловыделение в смазочном слое. Этого невозможно добиться без расчета процессов трения в области кавитации и источниках смазки. Последний фактор имеет тем большее влияние, чем выше относительные скорости движения поверхностей трения, что имеет место для подшипниковых узлов роторов быстроходных турбомашин. Оценка скоростей движения промежуточных элементов также существенно влияет на изменение градиента скоростей сдвига по толщине смазочного слоя и, следовательно, на величину тепловыделения как в несущих областях смазочных слоев, так и в областях кавитации.

Несмотря на наличие большого количества работ, посвященных методам расчета гидродинамических подшипников с промежуточными элементами, методики продолжают совершенствоваться в направлении расширения количества учитываемых факторов, более точного описания физической сущности процессов в системе «шип-смазочный слой-подшипник», минимизации затрат на проведение расчетных исследований.

В связи с этим, актуальной является работа по совершенствованию методик расчета динамики и смазки подшипников с несколькими смазочными слоями, направленных на создание и реализации в серийном производстве новых конструкций виброустойчивых подшипников быстроходных турбокомпрессоров.

Работа выполнена в рамках Комплексной программы фундаментальных исследований УрО РАН на 1995;2005 гг. (раздел 2 — «Машиностроение», направление 2.4 — «Трибология в машиностроении») — Комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления «Машиностроение и технология» УрО РАН на 2006—2008 гг.- при финансовой поддержке Министерства образования РФ (грант ТОО-6.1−1967) в 2002 ганалитической ведомственной целевой программы Министерства образования РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)» (код проекта РНП 2.1.2.2285) — в рамках Федеральной целевой программы Министерства образования РФ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009;2013 год» (код проекта П503) — при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований: проект 04−01.

96 088 на 2004;2006 гг. и проект 07−08−554 на 2005;2009 ггхоздоговорных работ с ООО «ЧТЗ-Уралтрак» 2004 — 2005 гг.

Цель работы. Разработка математической модели и методики расчета многослойных подшипников скольжения, обеспечивающих снижение вибраций роторов турбокомпрессоров.

Научная новизна.

1. Разработана универсальная математическая модель динамики ротора и промежуточных элементов многослойных подшипников скольжения, учитывающая заданное количество смазочных слоев и влияние гидродинамических процессов в источниках смазки на движение плавающих втулок.

2. Уточнена модель теплового расчета многослойного подшипника путем использования диссипативной функции рассеивания энергии как в активной, так и в кавитационной областях смазочного слоя с учетом степени заполнения смазочным материалом его объема.

3. При расчете потерь на трение в многослойных подшипниках скольжения в математической модели впервые учтены ламинарный и турбулентный режимы течения в источниках смазки.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной постановкой задач, строгостью используемого математического аппарата, обоснованностью принятых допущений, применением хорошо известных численных методовподтверждается качественным совпадением полученных теоретических результатов с результатами проведенных экспериментов, положительным опытом эксплуатационных испытаний опытной партии турбокомпрессоров ТКР-8,5С с разработанной конструкцией подшипника с пакетом плавающих втулок, и положительным опытом серийного производства одной из разработанных конструкций подшипников с ПВ втулками для турбокомпрессора ТКР-8,5С.

Практическая значимость. Разработана методика расчета многослойных подшипников ротора турбокомпрессора. Созданы и зарегистрированы в Реестре программ для ЭВМ программное обеспечение расчета динамики ротора «Устойчивость» (№ 2 002 611 823), комплекс программ анализа динамики и гидромеханических характеристик подшипников скольжения с промежуточными элементами с учетом жесткости корпуса «Жесткость» (№ 2 010 612 190), подана заявка № 2 010 615 640 на регистрацию в Реестре программ для ЭВМ программного обеспечения «Динамика многослойного подшипника».

Разработаны конструкции гидродинамических подшипников с двумя и тремя смазочными слоями, обеспечивающие существенное снижение вибраций ротора турбокомпрессора. Обоснованы рекомендации по применению этих подшипников для турбокомпрессора. Получен патент на полезную модель «Турбокомпрессор» № 2 006 118 254/22(19 858).

Реализация. Методика расчета и программное обеспечение внедрены и используются при проектировании подшипниковых узлов на предприятии ООО «ЧТЗ — УралТрак» г. Челябинск.

Подшипник ротора турбокомпрессора ТКР-8,5С разработанной конструкции с ПВ втулками выпускается серийно. Его внедрение в производство позволило существенно снизить вибрации роторов турбокомпрессоров, повысить их надежность, отказаться от перехода на покупные турбокомпрессоры иностранного производства, сохранить объемы выпуска собственной продукции.

Разработан и испытан подшипник с пакетом плавающих втулок, обеспечивающий значительное снижение вибраций ротора турбокомпрессора ТКР-8,5С. Предприятием ООО «ЧТЗ — УралТрак» изготовлена и передана в эксплуатацию опытная партия турбокомпрессоров с подшипниками такой конструкции.

Апробация работы. Содержание основных результатов работы докладывалось и обсуждалось на международной научно-технической конференции памяти академика Н. Д. Кузнецова (г. Самара, 2001), на XII международной научно-технической конференции по компрессорной технике (г. Казань, 2001), на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения» (г. Челябинск, 2003), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (г. Самара, 2007), на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, 2009), а также на ежегодных научно-технических конференциях, проводимых в ЮУрГУ (2001;2009 гг.), на XV международном конгрессе двигателестроителей (2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных трудов, включая статей — 5, в том числе рекомендованных ВАК — 2, тезисов доклада -7, свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ — 1, заявок на официальную регистрацию программ для ЭВМ — 1, патенты — 1.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы.

1. Модель многослойного гидродинамического подшипника с заданными количеством смазочных слоев и различными источниками смазки на поверхностях трения.

2. Методика расчета потерь на трение в источниках смазки многослойного подшипника, учитывающая режим течения смазочного материала и влияние результирующих моментов от гидродинамических сил в источниках смазки на скорость вращения промежуточных элементов.

3. Методика расчета потерь на трение в тонких смазочных слоях многослойного подшипника с учетом кавитационных процессов.

4. Результаты расчетов ГМХ подшипников с различными конструктивными параметрами для ротора турбокомпрессора ТКР-8,5С, полученные с использованием разработанных моделей, методики и программного обеспечения.

5. Новые технические решения конструкции гидродинамического подшипника с двумя и тремя смазочными слоями, обеспечивающие снижение вибраций цапф ротора турбокомпрессора.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из Введения, 4 глав, Заключения и Приложения, изложена на 170 страницах машинописного текста, включая 43 иллюстраций, 14.

Выводы. Разработанные с использованием предлагаемых модели и методики расчета конструкции многослойных подшипников при проведенных экспериментальных исследованиях показали себя полностью работоспособными и характеризовались пониженным уровнем вибраций, что в дальнейшем было подтверждено многолетним серийным производством одной из конструкций.

При применении любой из трех рассмотренных разработанных конструкций подшипников ротора турбокомпрессора ТКР-8,5С вибрации корпуса, регистрируемые при стендовых испытаниях, существенно снижаются относительно вибраций турбокомпрессоров с исходной конструкцией подшипников. Набольшее снижение наблюдалось при применении конструкции с пакетом втулок, менее значительное у конструкции с ПН моновтулкой, что полностью соответствует качественным выводам, полученным при теоретических исследованиях.

7* * л], аэ, м/с2 80 60 40 20.

1 V /.

7000 £У,, рад/с 9000.

1 — расчетные ротора- 2 — экспериментальные корпуса б).

А * л > аэ> м/с2.

Л — у 2 0.

3000 4000 5000 6000 7000 8000 рад/с 10 000.

1 — расчетные условные ротора- 2 — экспериментальные корпуса.

Рис. 4.9. Сравнение СКЗ виброускорений: а) расчетных ротора и экспериментальных корпусаб) условных расчетных ротора и экспериментальных корпуса.

— 158-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Разработанные универсальные модели и методика расчета многослойных подшипников скольжения позволяют проводить теоретические исследования, на основе результатов которых возможно проектирование и совершенствование конструкции подшипников с несколькими смазочными слоями, обеспечивающих снижение вибраций ротора турбокомпрессора.

Созданные универсальные алгоритмы и программное обеспечение расчета ГМХ многослойного подшипника позволяют проводить численные сравнительные эксперименты на новых конструкциях подшипников, что принципиально дополняет возможности стендовых экспериментальных исследований, ограниченных проблемами косвенного измерения характеристик подшипников, нерегистрируемого колебания качества опытных образцов турбокомпрессоров, материальных затрат на их изготовление и технологиче- ¦ скую подготовку производства. Программное обеспечение зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ под № 2 002 611 823 (приложение 1).

Уточнена методика теплового расчета путем использования диссипа-тивной функции рассеивания энергии и учетом доли жидкости в зоне кавитации смазочного слоя. При ее применении расчетные значения потерь на трение в смазочных слоях при рабочих скоростях вращения ротора на 10% выше, чем при применении методики, использующей приближенные формулы, а в диапазонах скоростей вращения ротора 3000.5000 рад/с и свыше 7000 рад/с относительная разница между значениями составляет 20%.

Впервые для многослойных подшипников скольжения применена методика расчета потерь на трение в источниках смазки с учетом турбулентного и ламинарного режимов ее течения, величина которых составила до 11% от общих потерь на трение. Уточнен метод определения скорости вращения промежуточных элементов подшипника путем учета результирующих моментов от касательных сил в маслоподводящих канавках, при его применении расчетные значения скорости вращения втулки отличаются в среднем на 12% от значений скорости, рассчитываемых без учета моментов от этих сил.

На основе проведенных параметрических исследований влияния конструктивных и режимных факторов на вибрацию ротора и ГМХ подшипников разработано несколько конструкций подшипников ротора турбокомпрессора ТКР-8,5С, пять из которых были изготовлены в виде опытных образцов и испытаны, о чем свидетельствует «Акт о внедрении научно-исследовательской работы .» (приложение 2), а три конструкции определены как наиболее перспективные и были рассмотрены в настоящей работе.

Разработанная конструкция подшипника с ПВ втулками внедрена в серийное производство и выпускается ООО «ЧТЗ — УралТрак» на протяжении пяти лет. По результатам расчетов ее применение обеспечивает снижение расчетных вибраций ротора на 38% при рабочих скоростях вращения ротора по сравнению с исходной конструкцией.

Разработанная и запатентованная (приложение 3) конструкция трехслойного подшипника с пакетом втулок характеризуется наименьшим расчетными значениями вибраций ротора из всех исследованных. В частности, у этой конструкции амплитуда вибраций ротора ниже в 12 раз, чем у исходной конструкции.

Разработанная конструкция с ПН моновтулкой характеризуется улучшенными ГМХ, сопоставимыми с характеристиками конструкции с пакетом втулок. В связи с относительной простотой изготовления эта конструкции также рекомендуется к серийному производству.

Следует отметить, что конструкции подшипников с пакетом втулок и с ПН моновтулкой разработаны с сохранением преемственности и унификации элементов конструкции турбокомпрессора на необходимом для серийного производства уровне.

Проведенные экспериментальные исследования разработанных конструкций ротора турбокомпрессора ТКР-8,5С подтвердили качественно результаты расчетов, доказав существенное снижение вибраций турбокомпрессора при применении новых конструкций подшипников.

Достаточное соответствие результатов расчетов амплитуды вибраций ротора с известными экспериментальными данными подтверждает достоверность разработанной модели и методики расчета многослойных подшипников скольжения.