Повышение энергетических характеристик роторных машин путем применения подшипниковых узлов с активным управлением

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Подшипники жидкостного трения с активным управлением представляют собой современное поколение подшипников с жидкостной смазкой. С развитием роторных машин значительно ужесточались не столько требования надежности, долговечности и относительной простоты, сколько требования эффективности. КПД как высокоскоростных легких роторных машин, так и тяжелых роторов с низкой рабочей частотой вращения. Зачастую единственной возможностью эффективно передавать вращение и одновременно обеспечивать определенный уровень виброустойчивости является использование опор роторов жидкостного трения. Такой тип опор изучается в рамках исследований как гидродинамики, так и роторной динамики. В виду того, что опоры скольжения являются нестандартными деталями любой роторной системы, способы конструкционного улучшения характеристик опоры, влияние геометрии опорной поверхности и способы ее обработки или напыления на динамику всей роторной системы - задачи, которые ставятся каждый раз при проектировании роторно-опорного узла, в основе которого лежит подшипник скольжения.

Однако, в настоящее время информационные технологии становятся неотъемлемой частью различных механизмов, что позволяет оценить разработанную математическую модель путем анализа реальных траекторий ротора и параметров системы и сравнения их с теоретическими. В частности, диагностика роторных систем, развитие которой сопровождалось развитием преобразующих устройств и программных способов обработки электрических сигналов, стала одним из этапов развития так называемых активных опор (рисунок 1).

Рисунок 1 - Подшипники от пассивных до полностью активных

подшипник мехатронный роторный

Возможность управлять положением ротора, жесткостью опоры [1,2] при использовании подшипников трения связана как с развитием устройств управления, например, сервоклапанами или пьезоактуаторами, так и с усложнением математического аппарата для моделирования работы роторной системы с учетом сложной геометрии поверхности втулки или пяты опоры и явлений в смазочном слое, например, кавитации и турбулентности, а также, влияния температурных эффектов на параметры смазывающего материала. Влияние таких эффектов на работу опорного узла и роторной системы изучено достаточно [3-9] для возникновения предпосылок эффективного управления параметрами системы, понижения уровня вибраций ротора и улучшения характеристик роторно-опорного узла.

Активные опоры позволяют в реальном времени адаптировать свои характеристики к изменяющимся условиям функционирования и таким образом добиваться улучшения работы роторной машины. Такое улучшение в первую очередь заключается в снижении энергетических потерь в процессе вращения ротора. В активных подшипниках жидкостного трения это достигается в результате анализа текущего движения ротора коррекцией траекторий движения ротора. Данный процесс содержит в себе несколько этапов. На первом этапе определяются параметры текущего движения ротора, в том числе тип траектории.

Рисунок 2 - Виды траекторий движения центра цапфы

В зависимости от характера действующих на ротор сил можно выделить следующие основные виды траекторий и состояний устойчивости роторной системы:

1) точечно-устойчивое состояние (фокус) (рис. 2, е). Такую траекторию описывает центр цапфы сбалансированного ротора и останавливается на кривой подвижного равновесия;

2) орбитально-устойчивое состояние (устойчивый предельный цикл), при котором центр цапфы описывает повторяющиеся траектории эллиптического вида (рис. 2, д). Этот вид траекторий характерен для несбалансированного ротора, совершающего вынужденные колебания под действием центробежной нагрузки; геометрия эллипса определяется соотношением силы тяжести и нагрузки от дисбаланса;

3) «странный образ» - неустойчиво-ограниченное состояние ротора, которое характеризуется незамкнутой, развивающейся в ограниченной области плоскости радиального зазора, траекторией сложной формы; свидетельствует о наличии в системе самовозбуждающихся колебаний ограниченной амплитуды, обусловленных нелинейными свойствами несущего слоя; ротор сохраняет свою работоспособность;

4) замкнутые кривые сложной формы, похожие на кардиоиду (рис. 2, а), разнообразные эпициклоиды (рис. 2, б и в), «улитку Паскаля» (рис. 2, г), наклоненную цифру «8» (рис. 2, ж) и т. д. В этом случае ротор подвержен действию автоколебаний с частотой прецессии и наложенным на них синхронным колебаниям от дисбаланса с частотой (бигармонические колебания);

5) неустойчиво-неограниченное состояние, при котором ротор работает в неустойчивой области, а траектория движения цапфы представляет собой разворачивающуюся спираль, стремящуюся к границам зазора (рис. 2, з)[5].

Как показано в [10], функциональным назначением любой роторной системы передача энергии полученной от привода к исполнительному органу, очевидно, эта энергетическая характеристика может быть представлена как кинетическая энергия вращательного движения:

где J - момент инерции ротора относительно оси вращения; - угловая скорость вращения ротора.

При вращении ротора в подшипниках жидкостного трения диссипация энергии происходит за счет двух составляющих: (1) рассеивание энергии при вращении, по сути работа вязких сил смазочного соля на угловом перемещении ; (2) рассеяние энергии при колебаниях, по сути работа сил на траекториях, рассмотренных выше, цапфы ротора , данные величины могут быть оценены, следующим образом:

(1)

(2)

где Mfr - момент трения в подшипнике жидкостного трения; - вектор реакции в подшипнике жидкостного трения; - единичный вектор касательная к траектории (s) центра цапфы ротора в подшипнике; * - угол поворота ротора относительно оси вращения, пройденный за время движения по траектории.

Тогда для любой замкнутой траектории можно ввести следующий параметр ее энергоэффективности:

где t* - характерное время, которое следует подбирать таким образом, чтобы описать полностью период максимальный траектории.

Из задачи поиска оптимальной траектории вытекает задача управлением параметрами ротора, что в активных опорах реализуется:

1) посредством изменения величины и конфигурации зазора между ротором и опорной поверхностью (например, активные подшипники с качающимися колодками);

2) посредством изменения реологических свойств смазочной жидкости в отдельных зонах опорной поверхности (например, подшипники с магнитореологической смазкой);

3) посредством изменения давления подачи смазочного материала в зону трения (например, активные гидростатодинамические, или гибридные, опоры). Из перечисленных такой способ является конструктивно наиболее простыми. Активный гибридный подшипник представляет собой, по сути, традиционный гибридный подшипник, в котором дополнительно установлены устройства для регулирования давления подачи смазочного материала в зону трения.

Рисунок 3 - Концептуальная модель мехатронной системы (1 - корпус подшипника, 2 - втулка опоры скольжения, 3 - ротор, 4 - жиклеры подачи смазки, 5 - преобразователи перемещения)

Концептуальная модель мехатронной системы, позволяющей корректировать траекторию движения ротора показана на рисунке 3 наряду с основными элементами активной опоры. Таковыми являются преобразователи перемещения 5 и штуцеры подачи смазки 4, установленные на традиционную втулку подшипника скольжения 2, вставленную в корпус 1. Перемещения ротора 3 отслеживаются по двум координатам, что позволяет получить перемещения центра цапфы реального ротора и сравнить его с результатами моделирования. Результаты моделирования работы описанной в [10] системы представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Траектории движения центра цапфы ротора в активном и пассивном гибридном подшипниках

Потери мощности можно значительно снизить путем варьирования коэффициента усиления системы управления, что показано в [11]. На рисунке 5 можно отметить, что с увеличением коэффициента усиления наблюдается уменьшение потерь мощности.

Рисунок 5 - Влияние коэффициента усиления системы управления на потери мощности

Задача совершенствования роторных машин и агрегатов тесно связана с разработкой новых видов опорных узлов. Значительным потенциалом в этой обладают активные подшипники жидкостного трения. При относительной простоте конструкции и эксплуатации они позволяют реализовывать активное управление перемещениями ротора в опоре. Современные средства активного управления позволяют в режиме реального времени корректировать траектории движения ротора с целью обеспечения наилучшей энергоэффективности процесса его вращения. В первую очередь это обеспечивается минимизацией потерь на трение. При этом определение энергоэффективных траекторий является серьезной вычислительной задачей. Таким образом, объединение аппаратов, обеспечивающих расчет оптимальных траекторий движения ротора, и реализующих функции управления его положением в подшипниках жидкостного трения позволит создавать новые поколения опорных узлов, которые превосходят по характеристикам энергоэффективности имеющиеся на сегодняшний день решения.

Работа выполнена в рамках проекта РНФ № 16-19-00186 «Планирование оптимальных по расходу энергии траекторий движения роторов мехатронных модулей в средах сложной реологии».

Список литературы

1. P. Kytka, B. Riemann, R. Nordmann - Application of Feedforward-Disturbance-Compensation and Input-Shaping to a Machinez-Axis in Active Hydrostatic Bearings, The 9th International Conference on Motion and Vibration Control, 2000;

2. G. Aguirre, F. Al-Bender, H. Van Brussel - Dynamic stiffness compensation with active aerostatic thrust bearings, Active vibration control and smart structures - PROCEEDINGS OF ISMA 2008;

3. M. Fillon, M. Wodtke, M. Wasilczuk - Effect of presence of lifting pocket on the THD performance of a large tilting-pad thrust bearing, Friction 3(4): 266-274, 2015

4. H. Urreta, Z. Leicht - Hydrodynamic bearing lubricated with magnetic fluids, 11th Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, 2009;

5. Савин Л.А., Соломин О.В. Моделирование роторных систем с подшипниками жидкостного трения. - М.: Машиностроение-1, 2006;

6. Пугачев А.О., Савин Л.А., Соломин О.В. Динамика разгона ротора на подшипниках жидкостного трения. - Известия вузов. Машиностроение. - 2006, № 4.

7. Соломин О.В., Майоров С.В., Морозов А.А. Уравнения конечно- элементного анализа динамики пространственного движения ротора // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. ? 2007, № 3;

8. Y. Yan - A thermal hydrodynamic Lubrication model of Pivoted plane-pad thrust bearings - M.S. thesis, The Pennsylvania State University, 2011;

9. A.M. Haugaard - On Controllable Elastohydrodynamic Fluid Film Bearings, Ph.D. thesis, Technical University of Denmark, 2011;

10. Savin L.A., Mayorov S.V., Shutin D.V., Babin A.Y. Rotor trajectories in fluid-film bearings, adjustment of them and energy efficiency parameters, Proceedings of ICMMR 2016;

11. Шутин Д.В. Совершенствование гидростатодинамических подшипников посредством регулирования параметров подачи смазочного материала: дис. канд. тех. наук: 05.02.02 / Денис Владимирович Шутин; Приокский гос. ун-т. - Орел, 2015 - 192 л.

Размещено на Allbest.ru