-2-
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................5
Глава первая
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Виброустойчивые подшипники скольжения роторов............12
1.2. Конструктивные особенности подшипников скольжения с плавающими втулками..............................................13
1.3. Методы расчета динамики и гидромеханических характеристик
опор с плавающими втулками....................................19
1.4. Экспериментальные исследования подшипников скольжения с плавающими втулками...........................................25
1.5. Задачи исследования......................................27
Глава вторая
СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ ШИПА И ПЛАВАЮЩИХ ВТУЛОК
2.1. Предварительные замечания................................30
2.2. Уравнение Рейнольдса для давлений в смазочных слоях опор
с плавающими втулками.........................................33
2.3. Гидромеханические характеристики опор скольжения.........36
2.4. Влияние конструктивных особенностей опор с плавающими втулками на граничные условия для гидродинамических давлений .41
2.5. Уравнения движения подвижных элементов опор..............44
2.6. Установившийся режим, линейная и нелинейная динамика подвижных элементов...........................................48
2.7. Выходные параметры, алгоритм гидродинамического и теплового расчета опор с плавающими втулками.....................53
Глава третья
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ПОДВИЖНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПОРЫ
-3-
3.1. Идеология многосеточных алгоритмов интегрирования дифференциальных уравнений второго порядка.......................57
3.2. Разностная аппроксимация уравнения Рейнольдса .............................60
3.3. Реализация многосеточных алгоритмов........................................62
3.4. Блок - схема адаптивного многосеточного алгоритма решения уравнения Рейнольдса и его эффективность......................69
Глава четвёртая
ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОПОР С ПЛАВАЮЩИМИ ВТУЛКАМИ (НА ПРИМЕРЕ ПОДШИПНИКОВ РОТОРА ТУРБОКОМПРЕССОРА ТКР-8,5)
4.1.Динамика подвижных элементов опоры в линейном и нелинейном приближении
4.1.1. Объект исследования.....................................................76
4.1.2. Границы устойчивости подвижных элементов опоры в линейном приближении...........................................79
4.1.3. Нелинейная динамика подвижных элементов опоры...........................83
4.2. Влияние на динамику опор с плавающими вращающимися втулками колебаний корпуса турбокомпрессора...................93
4.3. Параметрические исследования динамики и гидромеханических характеристик опор с плавающими втулками................102
4.4. Влияние на гидромеханические характеристики конструктивных особенностей опор с вращающимися втулками ...............113
4.5. Исследование динамики и гидромеханических характеристик
опор с плавающими невращающимися моновтулками...................................119
Глава пятая
КОМПЛЕКС ПРОГРАММ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ И ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПОР СКОЛЬЖЕНИЯ С ПЛАВАЮЩИМИ ВТУЛКАМИ, ПРИМЕРЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 130
- 4 -
5.1. Общая характеристика комплекса прикладных программ «Ротор»........................................................130
5.2. Примеры применения пакета прикладных программ «Ротор» для расчета подшипников коленчатого вала двигателей внутреннего сгорания
5.2.1. Исходные предпосылки...................................134
5.2.2. Результаты расчет тестового примера Роде, Эззата.......135
5.2.3. Результаты расчета шатунной и коренной опоры коленчатого вата двигателя КамАЗ....................................136
5.3. Исследование подшипников с плавающими втулками вала уравновешивающего механизма двигателя внутреннего сгорания 147
5.3.1. Экспериментальная установка и методика исследования....147
5.3.2. Результаты исследования............................... 149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................153
ЛИТЕРАТУРА........................................................155
ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................166
-5-
ВВЕДЕНИЕ
В энергетическом и транспортном машиностроении широкое распространение получили малоразмерные турбомашины с роторами на виброустойчивых подшипниках скольжения. В качестве таковых часто используются опоры жидкостного (гидродинамического) трения с плавающими (вращающимися и не вращающимися) втулками, которые обеспечивают виброустойчивость ротора и снижение потерь мощности на трение.
При конструировании опор скольжения с плавающими втулками степень совершенства их конструкций общепринято оценивать расчетами нелинейной динамики. Результатами таких расчетов помимо характеристик устойчивости подвижных элементов являются гидромеханические характеристики, к которым относят потери на трение, расходы смазки, толіциньї смазочных слоев и их температуры, значения гидродинамических давлений. Гидромеханические характеристики позволяют непосредственно или косвенно оценивать виброустойчивость опор, теплонапряженность и усталостную долговечность, износостойкость, склонность к задирам.
Умение рассчитывать нелинейную динамику опор скольжения с плавающими втулками и их гидромеханические характеристики означает умение совместно интегрировать уравнения Рейнольдса (уравнения в частных производных второго порядка) и систему уравнений движения ротора и втулок под действием внешних нагрузок. В качестве таковых традиционно учитывают только силы веса подвижных элементов и силы, обусловленные их неуравновешенностью. Другие нагрузки, например, возникающие в результате колебаний турбомашины с ротором и его подшипниками, не учитываются.
Экспериментальные исследования показывают, что все гидромеханические характеристики опор зависят от их конструктивных особенностей, которые определяются способами подачи смазки, наличием и расположением канавок и отверстий на поверхностях трения втулок.
-6-
Учету конструктивных особенностей опор с плавающими втулками в известных методах расчета их динамики уделяется мало внимания. Это объясняется тем, что в случае включения в число исследуемых факторов конструктивных особенностей, влияющих на гидромеханические характеристики опор, нельзя использовать упрощенные методы, базирующиеся на теории короткой опоры или каких-либо приближенных аппроксимирующих зависимостях.
Например, такой фактор, как отклонения формы поверхностей трения втулок от «идеальной» можно учесть только прямым численным интегрированием уравнения Рейнольдса для гидродинамических давлений, а при расчетах динамики ротора и плавающих втулок лишь одного варианта конструкции опоры число интегрирований этого уравнения исчисляется тысячами. Желание выполнить многовариантные расчеты за «разумное» время и при этом иметь возможность включать в перечень учитываемых наибольшее число факторов порождает задачу совершенствования известных методов расчета динамики и гидромеханических характеристик опор с ПВ и ПН втулками.
Опоры с плавающими втулками могут применяться не только с целью решения проблемы обеспечения устойчивости быстровращающихся роторов малоразмерных турбокомпрессоров, но и для снижения потерь на трение при сравнительно низких частотах вращения валов, при которых проблема обеспечения устойчивости неактуальна. В частности, имеются сведения, что применение плавающих втулок в нетрадиционных областях, например, в подшипниках коленчатого вала и вала уравновешивающего механизма двигателей внутреннего сгорания обеспечивает снижение потерь на трение порядка 30%. В этих нетрадиционных, областях применение расчетов динамики опор с ПВ и ПН втулками для улучшения гидромеханических характеристик подшипников не получило широкого распространения из-за ограниченных возможностей, предоставляемых известными методами таких расчетов.
В свете вышесказанного тема настоящей работы представляется актуальной. Работа выполнялась в рамках Комплексной программы фундаментальных
-7-
исследований УрО РАН на 1995 - 2005 год (раздел 2 - «Машиностроение», направление 2.4 - «Трибология в машиностроении»); по планам Министерства образования РФ 1996-1998 годов (направление «Динамика и оптимальный синтез машин и рабочих процессов, закономерности трения, износа и смазки в машинах», подраздел «Проблемы механики»); в 2001 г. при финансовой поддержке Министерства образования РФ по направлениям: «Машиноведение и детали машин» (грант ТОО-6.1.1467); «Турбостроение и двигателестроенис» (грант ТОО-6.7-1476).
Цель исследования заключается в разработке метода расчета динамики опор скольжения с плавающими втулками, который бы за счет возможности моделирования влияния на гидромеханические характеристики большинства из наиболее значимых факторов обеспечивал получение всесторонней информации, необходимой для совершенствования конструкции таких опор и обоснования новых нетрадиционных областей их применения.
Научная новизна
1. В исходной системе уравнений разработанного метода расчета динамики опор с плавающими втулками учтены их конструктивные особенности и действие на ротор и втулки произвольных нагрузок.
2. Для определения сил, действующих на подвижные элементы опор с ПВ и ПН втулками, а также гидромеханических характеристик, разработан адаптивный многосеточный итерационный метод интегрирования уравнения Рейнольдса, который не накладывает каких либо ограничений на геометрию поверхностей, ограничивающих смазочный слой, обеспечивает устойчивость и повышенную скорость сходимости итераций в широком диапазоне конструктивных параметров опор.
3. Задача устойчивости ротора и втулок в линейном приближении решена не на основе приема линеаризации, а с помощью детально разработанной универсальной процедуры прямого численного интегрирования уравнений движения.
4. Впервые получены результаты расчета нелинейных колебаний и гидроме-
-8-
ханических характеристик опор с ПВ и ПН втулками под действием ударных нагрузок, обусловленных колебаниями малоразмерной турбомашины с ротором и его подшипниками.
5. Для быстровращающихся роторов малоразмерных турбомашин с использованием разработанного метода обоснованы новые конструктивные схемы опор с ПВ и ПН втулками с улучшенными гидромеханическими характеристиками.
6. На примере нетрадиционной области применения опор с ПВ и ПН втулками показана возможность создания конструкций подшипников для коленчатого вала и уравновешивающего механизма двигателей внутреннего сгорания, обеспечивающих существенное снижение потерь на трение.
Достоверность полученных результатов обосновывается: строгостью используемого в работе математического аппарата; исследованиями точности разработанных методов и алгоритмов; сопоставлением результатов, полученных автором с известными теоретическими и экспериментальными результатами.
Практическая ценность работы заключается в том, что применение разработанного метода расчета нелинейной динамики и гидромеханических характеристик опор скольжения с плавающими втулками расширяет область его применения для совершенствования конструкций опор с целью решения традиционной задачи обеспечения устойчивости ротора, а также для снижения потерь на трение, температуры смазочных слоев, расходов смазки и улучшения других параметров, влияющих на работоспособность подшипниковых узлов.
Реализация. Разработанные методы расчета и программное обеспечение внедрены и используются при проектировании гидродинамических сложнона-груженных подшипников скольжения на машиностроительных предприятиях: «Барнаултрансмаш», «ГСКБД «Трансдизель», «ГСКБ ОАО ЧТЗ». В РосАПО зарегистрированы программы "РОТОР" (Версия 1.0) и "ТЕМПО" (Версия 1.0).
-9-
Апробация работы. Содержание основных результатов работы докладывалось и обсуждалось на научно-технической конференции «Повышение долговечности и качества подшипниковых узлов» (Пермь, 1989 г.), на XII конференции молодых ученых института машиноведения «Актуальные проблемы машиноведения» (Москва, 1989 г.), на международной научно-технической конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» (Самара, 1999 г.), на XXI Российской школе по проблемам науки и технологий (Миасс, 2001г.), на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (1989, ...,2001 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 научных трудов, включая 9 статей в научных сборниках, 9 тезисов докладов, 5 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.
На защиту выносятся следующие основные научные результаты.
1. Метод расчета нелинейной динамики опор скольжения с плавающими втулками, учитывающий их конструктивные особенности, произвольный характер действующих внешних нагрузок.
2. Адаптивный многосеточный алгоритм интегрирования уравнения Рейнольдса для давлении в смазочных слоях опор с плавающими втулками, позволяющий моделировать наличие источников смазки на поверхностях трения втулок и обеспечивающий устойчивость и повышенную скорость сходимости итерационных процедур в широком диапазоне конструктивных параметров опор.
3. Метод решения задачи устойчивости подвижных элементов опоры в линейном приближении, основывающийся не на приеме линеаризации уравнений движения, а на их прямом численном интегрировании, что позволяет* учесть «неидеальную» геометрию смазочных слоев.
4. Метод и результаты расчета нелинейных колебаний опор с ПВ и ПН втулками, обусловленных нагрузками, возникающими при колебаниях турбомашины вместе с ротором и подшипниками.
-10-
5. Результаты применения разработанного метода для совершенствования конструкций подшипников ротора малоразмерной турбомашины, а также результаты расчета нелинейной динамики и гидромеханических характеристик опор с плавающими втулками для опор коленчатого вала и вала уравновешивающего механизма двигателей внутреннего сгорания.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, 5 глав, Заключения и Приложения, изложена на 170 страницах машинописного текста, включая 69 иллюстраций, 18 таблиц и список литературы, содержащий 98 наименований.
В первой главе проанализированы конструктивные особенности подшипников быстроходных роторов малоразмерных турбомашин. Выполнен обзор литературы, посвященный теоретическим и экспериментальным исследованиям динамики и гидромеханических характеристик опор с плавающими втулками, проанализирована возможность применения таких опор в нетрадиционных областях. Сформулированы задачи исследования.
Во второй главе рассмотрена исходная система уравнений для расчета динамики опор с плавающими втулками и их гидромеханических характеристик. Показано, каким образом можно учесть в уравнении Рейнольдса для давлений (через граничные условия) наличие на поверхностях ПВ и ПН втулок источников смазки, а в уравнениях движения для подвижных элементов произвольный характер действующих нагрузок, в том числе ударных нагрузок, обусловленных колебаниями турбомашины вместе с ротором и подшипниками.
В третьей главе приводится алгоритм расчета гидродинамических сил, действующих на подвижные элементы опор с плавающими втулками, базирующийся на многосеточном адаптивном методе интегрирования уравнений Рейиольса. Исследованы устойчивость, сходимость, эффективность разработанного метода, приводятся примеры его применения для расчета поля гидродинамических давлений в смазочных слоях опор с источниками смазки на поверхностях трения втулок.
-11-
Четвертая глава посвящена описанию методик и результатов параметрических исследований опор с ПВ и ПН втулками. В качестве объекта исследования выбраны подшипники ротора турбокомпрессора ТКР-8.5, применяемого в системах наддува двигателей внутреннего сгорания. Прямым численным методом интегрирования уравнений движения определены границы устойчивости ротора и втулок в линейном приближении. Подробно исследовано влияние на динамику опор с плавающими втулками колебаний корпуса турбокомпрессора и их конструктивных особенностей. Сформулированы рекомендации по совершенствованию конструкции подшипников ротора турбокомпрессора ТКР-8.5, в том числе по изменению схем подачи смазки.
Приводятся результаты расчетов динамики и гидромеханических характеристик нескольких возможных конструкций опор с плавающими невращающи-мися моновтулками.
В пятой главе описывается разработанный на основе выполненных исследований комплекс программ «Ротор», предназначенный как для решения задач устойчивости роторов (традиционная область), так и для расчета гидромеханических характеристик опор с Г1В и ПН втулками в нетрадиционных областях их применения, а именно в качестве опор коленчатого вала и вала уравновешивающего механизма двигателей внутреннего сгорания.
Здесь же сравниваются результаты применения разработанного метода для решения задач динамики опор с ПВ втулками с опубликованными результатами, а также результаты собственных экспериментальных исследований.
В заключении кратко подводятся итоги выполненного исследования, а в приложении помещены материалы, подтверждающие использование результатов работы и свидетельства об официальной регистрации разработанных программ для ЭВМ.
- 12-
Глава первая
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Виброустойчивые подшипники скольжения роторов
Склонность к интенсивным колебаниям роторов, вращающихся на подшипниках скольжения, всегда являлось проблемой, от успешного решения которой зависит работоспособность многих механизмов и машин. Опасность возникновения повышенных вибраций роторов вынуждает конструкторов изыскивать пути их подавления, один из которых основывается на применении внбро-устойчивых подшипников скольжения.
Исторически первыми среди виброустойчивых появились подшипники с профилированной поверхностью трения, т.е. поверхностью, которой придаётся форма отличная от круглоцилиндрической. К таковым относятся подшипники с вкладышами, смещёнными в плоскости разъёма, лимонные подшипники, трёх и четырёхклиновые и т.д.
К виброустойчивым относятся также и подшипники с подвижными элементами, например, с качающимися и плавающими сегментами, а также с промежуточными элементами, выполненными в виде вращающихся и невращаю-щихся втулок. Подшипники с плавающими вращающимися и невращающими-ся втулками практически вытеснили все другие конструкции виброустойчивых подшипников роторов малоразмерных турбомашин, у которых диаметр рабочего колеса не превышает 100 мм. Их отличительная особенность - высокие скорости вращения роторов, намного превышающие критическую скорость, при которой возникают интенсивные колебания. Например, в современных турбокомпрессорах систем наддува двигателей внутреннего сгорания обороты ротора могут достигать величины 100 ООО об./мин. При таких оборотах роторов особенно необходим тщательный выбор всех конструктивных параметров подшипников скольжения, начиная от геометрических (диаметр, длина, зазоры
- 13-
мсжду шейкой ротора и втулкой, втулкой и корпусом) и заканчивая схемами подачи смазки в смазочные слои.
Рассмотрим в этой связи наиболее характерные конструкции подшипников с плавающими вращающимися и невращающимися втулками современных малоразмерных турбокомпрессоров.
1.2. Конструктивные особенности подшипников скольжения с плавающими втулками
У большинства современных турбокомпрессоров систем наддува ДВС ротор опирается на два радиальных подшипника скольжения, а его движение в осевом направлении ограничено одним упорным подпятником. Колеса турбины и компрессора расположены на концах вала ротора консольно относительно подшипников. Промежуточные элементы подшипников (рис. 1.1) выполняются в виде круглоцилиндрических вращающихся (ПВ) или невращающихся (ПН) втулок (вращение последних ограничено штифтом). Обе втулки (левая и правая) могут быть объединены в одну общую втулку (моновтулку) [23,28,79,88].
Смазка во внутренний и наружный смазочные слои обычно подаётся иод давлением, а её подвод может быть радиальным и торцевым (рис. 1.2).
В турбокомпрессоре ТКР-11 (рис. 1.3) подшипниковый узел представляет собой бронзовую моновтулку, располагающуюся в корпусе с зазором [25]. От проворачивания и осевых перемещений втулка удерживается полым фиксатором (штифтом). На внутренней поверхности втулки выполнена окружная канавка, являющаяся резервуаром для масла. После остановки ратора турбокомпрессора часть масла остается в канавке и при пуске выдавливается в зазор между втулкой и валом. Это предотвращает возможность возникновения сухого и полусухого трения между валом и втулкой, которое может являться причиной повреждения подшипников. В корпусе также выполнена окружная канавка, из
- 14-
Схемы опор ротора
1 - ротор; 2 - плавающие вращающиеся втулки; 3 - стопорные кольца; 4 - планка; 5 - кольцо подпятника; 6 - подшипник упорный; 7 - кольцо уплотнительное
б)
а) - схема ротора серийного турбокомпрессора с плавающими вращающимися втулками; б) - опора с ПВ или ПН втулкой; 1 - шип; 2 - втулка; 3 - корпус ; 4 -штифт (для невращающейся втулки)
Рис. 1.1
- 15-
Схемы движения смазки через подшипниковый узел (стрелками указано направление движения)
а)
а) - подшипники с ПН моновтулкой и торцевой подачей смазки; б) - подшипники с ПВ втулками и центральной подачей смазки
Рис. 1.2
- Київ+380960830922