Разработка методов и инструментальных средств динамического анализа роторных систем с подшипниками жидкостного трения

• Автор: Соломин, Олег Вячеславович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Орел
• Количество страниц: 417 с. : ил.

1. Роторные системы с подшипниками жидкостного трения как ОБЪЕКТ ДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
1.1. Конструкции, задачи динамики и работоспособность
роторных машин с подшипниками жидкостного трения
1.2. Обзор исследований в области динамического анализа
систем "ротор - подшипники жидкостного трения"
1.3. Состояние рынка программного обеспечения для
динамического анализа роторных систем
1.4. Структура, объект и задачи исследований
2. Задачи динамики системы «ротор - подшипники жидкостного ТРЕНИЯ» с сосредоточенными параметрами
2.1. Динамические модели и уравнения динамики роторных
систем с подшипниками жидкостного трения
2.2. Линейный анализ устойчивости движения системы
«ротор - подшипники жидкостного трения»
2.3. Решение задачи нелинейного анализа динамики
роторной системы методом траекторий
3. Конечно-элементный анализ динамики роторных систем с подшипниками жидкостного трения
3.1. Уравнения движения ротора с распределенными параметрами
3.2. Конечно-элементная модель роторной системы с
подшипниками жидкостного трения
3.3. Линейный динамический анализ роторной системы
4. Определение поля давлений в смазочном слое и расчет характеристик подшипников жидкостного трения
4.1. Математическая модель расчета поля давлений
4.2. Геометрия радиального зазора в подшипниках
4.3. Алгоритм и методы расчета реакций смазочного слоя
4.4. Анализ влияния различных факторов на грузоподъемность и
динамические характеристики подшипников

5. Методология формирования диагностических признаков
динамического состояния роторных систем
5.1. Подход к формированию эталонных диагностических признаков роторных систем с опорами жидкостного трения
5.2. Применение непрерывного вейвлет-преобразования в
анализе вибрационных сигналов
5.3. Примеры анализа динамического состояния роторных систем с подшипниками жидкостного трения
6. Экспериментальные исследования динамических характеристик
РОТОРНЫХ СИСТЕМ С ПОДШИПНИКАМИ жидкостного трения
6.1. Постановка задач и планирование опытных исследований
6.2. Экспериментальные стенды и методика проведения опытов
6.3. Обработка результатов и сравнительный анализ данных теоретических и экспериментальных исследований
7. Практические вопросы динамического анализа роторных
СИСТЕМ С ПОДШИПНИКАМИ ЖИДКОСТНОГО ТРЕНИЯ
7.1. Согласование критериев работоспособности роторных систем с подшипниками жидкостного трения
7.2. Программное обеспечение решения задач динамического анализа роторных систем АнРоС
7.3. Вопросы проектирования роторных систем с подшипниками жидкостного трения
7.4. Примеры практической реализации методологии динамического анализа роторных систем
Заключение
Литература
Приложение А. Фрагмент листинга расчетного модуля
Приложение Б. Патенты РФ на разработанные конструкции
Приложение В. Свидетельства об официальной регистрации программ... 397 Приложение Г. Акты о внедрении результатов работы

Актуальность темы. Одним из ключевых, вопросов обеспечения конкурентоспособности роторных машин является необходимость повышения их производительности при одновременном снижении габаритов, массы и стоимости. Применительно к транспортным, энергетическим и технологическим машинам выполнение этих требований сопровождается ростом частот вращения их роторов, повышением действующих в опорах и передаваемых на корпус сил и амплитуд колебаний. Следствием этого становятся проблемы обеспечения вибрационной надежности и требуемого ресурса агрегата.
Значительную роль в динамике роторной системы играют опорные узлы. Использование подшипников качения в высокоскоростных роторных машинах часто ограничивается их предельной быстроходностью, поэтому все большее применение находят опоры жидкостного трения, позволяющие обеспечить надежное вращение ротора в широком диапазоне скоростей и нагрузок и обладающие конечной жесткостью и высокой демпфирующей способностью.
Рост частот вращения роторов и необходимость обеспечения их устойчивой работы с заданным уровнем амплитуд колебаний повышают требования к точности выполнения проектировочных и проверочных расчетов динамической системы «ротор - подшипники жидкостного трения» с учетом все большего числа значимых факторов. Это обстоятельство требует разработки новых моделей и методов расчета динамики роторных систем с такими опорами.
Применение криогенных жидкостей (водород, кислород и др.) в качестве смазочных материалов обусловлено спецификой проектирования подвеса роторов машин авиационного и ракетно-космического назначения, а также необходимостью решения задач создания и совершенствования агрегатов водородной энергетики. Течение этих жидкостей может сопровождаться появлением паровой фазы вследствие вскипания смазочного материала, что существенно меняет динамические характеристики смазочного слоя и оказывает влияние на динамическое поведение и устойчивость роторной системы.
Обеспечение работоспособности эксплуатируемых машин требует проведения диагностических мероприятий по выявлению дефектов и прогнозу их развития, основой которых являются процедуры вибрационной диагностики. Однако разработанные модели динамического анализа роторных систем могут быть использованы для построения эталонных диагностических признаков при условии учета в них соответствующих дефектов. Такой подход позволяет сократить время и средства на проведение опытных исследований, однако ставит задачи развития методов анализа нестационарных вибрационных сигналов.
Таким образом, недостаточная изученность динамики рассматриваемых роторных систем и проработанность методологии их динамического анализа, выдвигаемые практикой задачи обеспечения требуемых динамических характеристик, повышения ресурса и надежности машин на этапе проектирования, проблемы обеспечения работоспособности эксплуатируемых агрегатов, а также отсутствие инструментальных средств решения задач динамического анализа обуславливают актуальность данной работы.

навливающих моментах; расходе смазочного материала; границах устойчивости подшипника к возникновению автоколебаний; коэффициентах жесткости и демпфирования; функции зазора в подшипнике; распределении давлений в смазочном слое; поле температур в смазочном слое.
Программа JURNBR выполняет расчет характеристик следующих типов гидродинамических и гидростатических опор: цилиндрических, в том числе неполного охвата; многоканавочных с продольными питающими канавками; с клиновидными скосами на несущих сегментах; с карманами Рэлея; ступенчатых; эллиптических; многоцентровых и многоклиновых; гидростатических неполного охвата с несколькими питающими камерами.
Радиальные подшипники жидкостного трения с подвижными сегментами с параметрами геометрии и рабочими характеристиками, определяемыми пользователем (размеры, число и расположение шарниров, предварительная нагрузка и т.д.), могут быть рассчитаны в программе TILTBR.
Модуль Lubricant Properties Calculation ( VISCOS) комплекса ARMD рассчитывает свойства смазочного материала (нефтепродуктов, стандарты American Petroleum Institute) в зависимости от температуры.
Среди замеченных недостатков ARMD следует отметить: проведение исключительно линейного анализа реакций подшипников и, как следствие, линейного анализа динамических характеристик роторной системы; в построении конечно-элементной модели используются простые балочные элементы с 4-мя степенями свободы, что ограничивает возможности моделирования; не предусмотрена возможность моделирования шпоночных пазов, шлицев, отверстий на поверхности вала и других аналогичных элементов; нет возможности учесть влияние осевых сил на динамические характеристики роторов; нет возможности моделирования переменной частоты вращения (например, пуск, останов, смена режима работы и т.п.); не предусмотрена возможность учета различия моментов инерции поперечного сечения вала; при расчете динамических характеристик роторной системы подшипники жидкостного трения моделируются только линейными коэффициентами жесткости и демпфирования; нет возможности расчета демпферов и уплотнений, кроме как включения в расчетную схему их коэффициентов жесткости и демпфирования; присутствует только одна расчетная схема для гидростатического подшипника; для пользователя недоступно самостоятельное создание расчетной схемы подшипника жидкостного трения; база данных смазочных материалов содержит только индустриальные масла (причем по стандартам American Petroleum Institute)-, влияние температуры и давления на вязкость и плотность рабочих жидкостей не учитывается и такой возможности в базе данных не предусмотрено; модели расчета давлений в смазочном слое не учитывают возможности фазовых переходов в смазочном материале, что важно при использовании, например, криогенных жидкостей.
В заключение следует также заметить, что перечисленный перечень недостатков, в той или иной мере, присущ многим из программных комплексов, чье описание приводится ниже. Объяснение этому связано именно с узкой специализацией таких программных продуктов и нацеленностью их на решение конкретных практических задач данной предметной области.