Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Теория и практика балансировочной техники

..pdf
Скачиваний:
64
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
31.98 Mб
Скачать

ны 3 заменяем однородной балкой упруго-опертой по концам. Податливость обеих опор балансировочного устройства (БУ) 62 одинакова (рис. 2).

Исследуем влияние на резонансное состояние системы

податливостей

отдельных ее

элементов — ротора,

подшипников,

корпуса, упругих элементов

опор

БУ,

а

также

соотношений

масс

ротора и корпуса. При

составлении

уравнений

 

движения

 

 

 

будем

учитывать

моменты

инер­

 

J2_

 

ции

системы.

 

 

 

 

 

 

 

Щ2

 

 

 

При

анализе

совместных

ко­

 

 

лебаний

сложной

системы

ис­

 

 

 

 

 

 

пользуем

 

метод

 

динамических

 

 

 

податливостей

[2]:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ни

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

41

 

 

 

 

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГДЄ ЄЦ

И

Hij

податливость

и

 

 

 

 

 

 

 

 

амплитуда

попе­

 

 

 

 

 

 

 

 

речных

 

колеба­

 

 

 

 

 

 

 

 

ний

 

ротора

в

 

 

 

 

 

 

 

 

точке

і

от

гармо­

 

 

 

 

 

 

 

 

нической

попе­

Рис. 2.

Расчетная

схема системы

 

 

 

 

 

речной

 

 

силы

 

 

 

 

 

Zj

=

 

1,

прило­

ротор — опоры ротора — корпус —

 

 

 

 

 

женной

в

точке /.

 

опоры

БУ

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим

 

отдельно

подси­

 

 

 

 

 

 

 

стемы ротора и корпуса. Дей­

ствие

отброшенной части заменим

симметричными

и

кососим-

метричными Z 2 и Z4 составляющими опор ротора.

Принимая во внимание, что по теореме Максвелла о взаим­

ности

Перемещений

ЄР24 = £р42 ДЛЯ рОТОра, Єк24 =

Є«42 ДЛЯ

корпуса,

а ввиду

симметрии

системы

ер22

= ер14

и

ек22

=

е*4 4 ,

запишем

с учетом

формулы

(1)

уравнения

совместности

попе­

речных

перемещений

ротора

и корпуса

(плоскости

2

и

4):

 

 

 

Н2 — Z2ep22

 

+ Z 4 e p 2 4

=

—Z2 eK 22—24 ек 4 4 ;

 

 

 

(2)

 

 

#4 = Z2ep 24

+ Z4 ep 4 4

=

Z2eK24

^4^k 2 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для

 

симметричных

и кососимметричных

форм

 

колебаний

уравнения (2) являются уравнениями частот собственных

сов­

местных

колебаний:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ер22 + Єр 2 4

:

—(е.к22 + ек2і);

 

 

 

 

(3)

 

 

 

ер22

Єр 2 4

=

—(ек22—ек2і).

 

 

 

 

 

(4)

Для определения динамических податливостей подсистем ротора и корпуса разобьем систему на ряд участков, проводя границы через опоры, а также через центр тяжести сосредото­ ченных масс (рис. 2). Из условий на границе участка определим

начальные неизвестные, затем с помощью формул перехода от участка к участку последовательно находим значения попереч­

ных перемещений НІ, угла наклона

касательной к

упругой

линии вг, изгибающего момента МІ,

перерезывающей

силы Qi.

По этим величинам определим динамические податливости [2]. При расчете использованы расчетные и опытные значения податливостей элементов системы.

Прогиб участка с постоянным поперечным сечением и рав­ номерно распределенной по длине массой определим с помощью дифференциального уравнения

 

 

 

EJ —

= q,

 

 

 

 

 

 

 

дх*

 

 

 

 

 

 

где

q — интенсивность

нагрузки,

представляющая собой

силу

 

инерции элемента балки

единичной

длины, т. е.

q =

 

= (j,/(х) со2(ц — погонная масса

балки;

со — угловая

ско­

 

рость упругой линии участка).

 

 

 

 

 

Для участка длиной /г- с началом координат х0 = О при пе­

ременной 0 <

х < U, принимая k4

=

IT

имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d*[f(lt)]-Vf{lt)

 

=

0-

 

 

(5)

 

Общее решение уравнения (5):

 

 

 

 

 

 

 

/(/,)

= AtR(ktlt)

+ BtS(kiti)

+ СїШ

+ DMUt),

(б)

где

АІ, ВІ, Cit

Di — произвольные постоянные;

 

 

R, S, T, U — линейные комбинации

тригонометрических

 

 

и гиперболических

функций:

 

S(k(lc) =

т{т =

U(ktlt) =

і -(ch kili +cos

kilt);

2

 

1 (sh kill + sin

kilt);

2

(7)

1 (ch k^i—cos

ktlj);

2

 

1 •{sh k-Li—sin&,-/f).

2

В дифференциальном уравнении (6) согласно выражениям

(7) при х = хо = 0, f (0) =

f0:

Я = 1 ;

S = T=U = 0.

Значения произвольных постоянных из уравнения (6) после

дифференцирования с учетом теории изгиба примут вид

 

Ai = h = H- с , _ 4 - - А г : £ < = / о = е ,

Di=fa

Qi

 

k,

 

Для х =

обозначив а =

kiU,

найдем

 

 

 

Hi+l

 

= R(ai)Hi+

 

 

8 И

— - M t

+

 

 

 

0

=

 

Я , +

*(«,)Є ( +

"

А

M i +

 

Q,

 

 

 

 

//

 

 

 

/;

 

 

 

«/

 

 

 

 

/.•

 

 

 

/7

 

 

/.-

 

 

 

т. е.,

зная эти

величины

в

і-ш сечении,

можно

найти их

в і +

1-м сечении [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учитывая принятые допущения, формулы перехода для рас­

сматриваемого вала ротора (рис. 2) можно

записать

следую­

щим образом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ht+^Hi

+ lflt + hMt

+ yiQu

 

 

 

 

 

 

Qi+i =Qi

+ $iMi

+ eiQi;

 

 

(9)

 

 

 

 

Mi+i

= Mi + hQc,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

•&{, В,, ЄЇ,

yi — представляют

собой коэффициенты

подат­

 

 

 

 

ливости

однородной

консольной

балки.

 

Из равновесия сил и моментов напишем формулы

перехода

через сосредоточенную

массу:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Qt+^Qt

+ m^H-,

j

 

 

 

 

 

 

 

M,+ l =Mt—Jnpj&Bt,

j

 

 

 

где

mi — сосредоточенная

масса;

 

 

 

 

 

Jnp

приведенный момент инерции.

 

 

 

 

Рассмотрим симметричные и кососимметричные колебания системы. Для симметричных колебаний сумма динамических податливостей ротора:

 

 

 

 

 

(11)

где бі — податливость

левой опоры

ротора

(плос­

кость 2);

 

 

 

 

# 2 = # 2 2 + -^24 суммарное

поперечное перемещение

точки

вала

в плоскости 2 под действием единичных

сил

Z 2 = Z4

=

1, приложенных

в точках

плос­

костей 2 и 4.

Для

плоскости

3

на

основании

уравнений

(9)

и

(10)

напишем:

93 = 62 + е = 0;

 

 

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

от„о)2

/

 

;

 

\

)

 

 

(12)

где trip = т.\ +

т2— масса

ротора;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ = /, = —

/ 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

Обозначая

 

частоту

собственных

поперечных

(симметрич­

ных) колебаний

ротора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

л 2 = .

2

 

 

,

f

13

 

 

 

 

 

 

 

 

(Of =

 

 

 

Ml

 

 

 

 

 

 

окончательно

получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е р 2 2 + е р 2 4 = — ^ - г

Г-^г— Л -

 

 

 

(13)

 

 

 

F

 

F

ОТрОЗ2

\ СО]

 

/

 

 

 

 

Для

симметричных

колебаний

сумма

динамических

 

подат-

ливостей корпуса представляет

собой

суммарное

перемещение

точки в плоскости

2 под действием единичных

сил, приложен­

ных одновременно в точках плоскостей 2 и 4:

 

 

 

 

 

 

 

 

е к 2 2

+ е к 2 4 = Я 2 2 + Я 2 4

= Я 2 .

 

 

 

(14)

Принимая

во внимание силу упругости

опор Б У - , в фор-

мулах

перехода для корпуса

из условий

симметрии

системы

с помощью выражений

(8) напишем

 

 

 

 

 

 

 

63 = Ш(а)Н2

+ R(a)Q2

+ ^

- ( I -

 

0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k'ElK

 

62J

 

 

,

( 1 5 )

 

Q3 = k3EJS(a)H2

+ k2EJT(a)

+ R(a)(l—

 

= 0. J

 

Исключив

из уравнения

 

(15) величину

0, с помощью

функ­

ций (7) имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н2

=

 

 

/

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k3EJ I t h a + t g a — —

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

V

 

 

б 2

 

 

 

 

 

 

 

и зная,что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕ J =

^

 

 

 

 

 

 

получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЄК22

+

0*24 =

 

 

;

 

 

>

 

( 1 6 )

 

 

 

 

 

 

mKG)2 I th a + tg a—2a

 

 

 

 

0)2

где тк

= ц і — масса корпуса;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

со3 частота

симметричных

свободных

колебаний

 

 

корпуса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение

частот

совместных

 

симметричных

колебаний

системы

(3)

после

подстановки

 

выражений

(13) и

(16) имеет

вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

О)2

\

t h a

+

t g a - 2 4

« -

(17)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

« 2

 

 

 

 

ы 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принимая

податливость

корпуса

 

8К

=

/3

и обозначая

 

 

т =

, из выражения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\QEJ

 

,

=

2a4

 

 

 

 

 

 

 

ц/4

• a 4

ЗткЬк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

найдем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а 4

_ Зткокш2

 

 

 

 

 

и соответственно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,4 .

з « А ш і

 

 

 

зьк

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

т ( б , + б р )

'

 

 

 

 

ОС о

 

 

 

о — •

 

 

 

 

 

3

 

2

 

 

 

 

62

 

 

 

Полученные величины характеризуют соотношения податливостей корпуса и ротора, корпуса и опор БУ, а также соотно­ шения масс ротора и корпуса.

Уравнение (17) напишем в виде

 

 

t h a + t g a

= «з |

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а*

 

или при б к

= О

 

 

 

 

 

 

со4 [(1 + m)©J +

oe§] со2 +

со2со2, = 0.

(19)

Учитывая

инерцию поворота

массы

корпуса при

колебаниях

JK = ~~~

и

обозначив

отношения

приведенного

момента

инерции ротора к моменту инерции корпуса /* =—— , после

1 к

ряда преобразований получим также уравнение частот совмест­ ных кососимметричных колебаний системы (рис. 2)

ctga = cthtx

6-

 

+ — -

V

(20)

3

mK 62 u)2

со2

 

'

 

 

 

со*

 

 

Обозначив

 

 

 

 

 

(Of = тк62

 

 

 

 

и имея в виду, что

 

 

 

 

 

 

/2

 

 

 

 

2(bt+6p)Jnp

 

 

 

 

получим

 

 

 

 

 

a* = 3mK6Kco2 = _ _ «

 

 

 

 

 

° 2

 

 

 

(6, +

 

6р )/*

 

 

где 0)2 и о)4 — соответственно

частоты угловых

(кососиммет­

ричных) колебаний ротора и корпуса.

 

Уравнение (20) окончательно примет вид

 

 

ctga — cth a _

4

 

J*

 

 

a 4 .

 

 

 

2a

a*

'

 

 

K '

или при б к = О

 

 

 

 

 

со4—[(1 + У*)со22

+ со2] со2

 

+ CO2,^ =

Q.

(22)

Вычисления, выполненные для рассматриваемых турбома­ шин, показывают, что наибольшее влияние на собственные частоты системы ротор — опоры ротора — корпус — опоры БУ оказывает изменение податливостей опор ротора бі и опор ба­ лансировочного устройства бг.

Полученные результаты использованы при разработке опор балансировочного устройства для уравновешивания роторов малогабаритных высокоскоростных турбомашин на рабочих оборотах в собственном корпусе. Метод балансировки основан на приведении нагрузки от неуравновешенности к двум систе­

мам

сил — симметричным и кососимметричным,

каждая

из

которых лежит

в своей плоскости [3]. Определение

положения

этих плоскостей

осуществляется

на балансировочном

стенде

с применением

упруго-податливых

или жестких опор.

Регист­

рация

величин

и фаз динамических опорных

реакций

от

неуравновешенности

производится

тензометрическими 2

или

пьезоэлектрическими 3 датчиками (рис. 3).

 

 

 

 

Анализ

частотных

характеристик

(рис. 4)

при

изменении

бі

и бг (бк =

0)

показывает, что

применение

жестких опор

БУ

устраняет

резонансные

явления,

связанные

с частотами

соС2 и

соВ2. Изменение податливости опор

ротора

[увеличение

или

уменьшение

жесткости

распорной

пружины 4

подшипника

Рис. 3. Опоры балансировочного устройства:

/— упругие элементы; 2 — тензодатчики; 3 — пьезодатчики

(см. рис. 1), а именно

при значениях бі ^= 1 - Ю - 1 0 м/н]

позволя­

ет снизить частоты соеі

и ык\ ниже области рабочих

скоростей

ротора.

 

 

При изменении жесткости упруго-податливых опор БУ мож­ но добиться хороших результатов в отстройке системы от неже­ лательных резонансных режимов путем одновременного изменения податливостей опор ротора и опор БУ. При этом необходимо учитывать динамический диапазон изменения деформации g чувствительных элементов датчиков опор, равный ±0,01 % < I < ±0,11 %. Величина деформации ограничена, с одной стороны, разрешающей способностью датчика и усили-

теля, а с другой стороны — механическими свойствами упругого

элемента

1 (рис. 3). Например, изменяя

в широких

пределах 62

с учетом

диапазона деформации упругих

элементов

опор БУ и

выбирая 61 = 1-1010 мін с учетом оптимальных условий работы распорной пружины, получим частотные характеристики систе­ мы (рис. 4). Из анализа этих характеристик следует, что при значениях 62 от 1 0 - К Н до 2 0 - Ю - 8 м/н область рабочих скоро­ стей ротора свободна от резонансов.

Как показывают расчеты, изменение податливости самого ротора, влияющее на собственные частоты, на турбомашине

А000\

3000і

то

woo

 

 

 

 

tt-Ю''м/н 35

 

 

 

50пЮ3о5/мин

Рис. 4. Зависимость собственных час­

Рис.

5.

Частотные

характеристики

тот

системы от б] (при б 2 =

const)

вибрационного состояния турбома­

 

и 62

(при 61 = const):

 

 

 

шины:

и иС2

собственные частоты

симмет-

кривые

/

и 2 —

на

упруго - податливых

 

 

 

опорах

БУ;

кривые

3 и

4 — на жестких

ричных колебаний; <а к 1 и <<В„^в к 2 — собствен

 

 

опорах

БУ

ные

частоты

 

кососимметричных

колеба-

 

 

 

 

 

 

 

 

ний

практически трудно осуществимо. Изменение отношения массы ротора к массе корпуса также следует признать нецелесообраз­ ным, поскольку влияние этого параметра на собственные частоты системы незначительно.

Результаты

проведенных исследований

хорошо

согласуются

с экспериментальными данными. На

рис. 5 приведена

зависи­

мость виброперегрузки К на корпусе

малогабаритной

турбо­

машины

от

числа

оборотов

ротора.

Кривая 2

соответствует

балансировке

на упруго-податливых

опорах БУ

с

тензодатчи­

ками (резонанс

на

скорости

/ г ~ 4 7 , 5 - 1 0 3

об/мин).

 

Кривая 4

получена

после уравновешивания в жестких

опорах

БУ с пьезо-

датчиками (резонанс при скорости « = 51,0• 103 об/мин).

Вели­

чина виброперегрузки, пропорциональная амплитуде колебаний

корпуса,

после уравновешивания

на балансировочном

стенде

в

режиме

рабочей скорости (при tig = 35000 об/мин, кривые 2 и

4)

оказалась ниже по сравнению

с уравновешиванием

по се-

рийной технологии на низкооборотном балансировочном станке (при Пб = 2500 об/мин, кривые 1 и 3). Интенсивность колебаний устанавливалась в долях земного ускорения по формуле

где К — виброперегрузка, т. е. величина ускорения корпуса турбомашины;

п— число оборотов ротора турбомашины;

у— амплитуда колебаний точки крепления датчика в см.

Выводы

1.Предлагаемый упрощенный метод исследования связан­ ных колебаний системы «турбомашина в опорах БУ» позволяет сравнительно легко оценить ее собственные частоты.

2.Рассмотрение балансировочных схем с помощью полу­ ченных формул дает возможность определить конструктивные параметры системы, удовлетворяющие всему диапазону скоро­ стей уравновешивания.

3.Балансировка на повышенных скоростях вращения по­ казала, что вибрационное состояние малогабаритных турбо­ машин значительно улучшается.

4.Проведенный анализ показывает, что исследование

совместных

колебаний системы

ротор — опоры

ротора —

кор­

пус — опоры

БУ, в особенности

ее резонансного

состояния,

для

каждого конкретного

типа роторов должно быть составной

частью выбора метода

уравновешивания.

 

 

ЛИ Т Е Р А Т У РА

1.Левит М. Е., Ройзман В. П. Вибрация и уравновешивание роторов авиадвигателей. М., Машгиз, 1970.

2. Изгибные

колебаний деталей

газотурбинных авиадвигателей. Под ред.

Г. С. Скубачевского. Труды МАИ. Вып. 100.

М., Оборонгиз, 1959.

3. Теория и конструкция балансировочных машин. Под ред. В. А. Щепе­

тильникова. М., Машгиз,

1963.

 

 

Е. А. ПАНФИЛОВ,

Ю. А.

САМСАЕВ,

Ю. В.

ТРУНАЕВ

УПРУГИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ СОВМЕЩЕННЫХ ОПОР РОТОРА ТУРБОМАШИНЫ

ИВЫБОР МЕТОДА ЕГО БАЛАНСИРОВКИ

Внастоящее время для обеспечения высоких скоростей, точности и достаточной долговечности все большее применение находят так называемые совмещенные опоры, представляющие

238

собой узел подшипников, стандартные элементы кото­ рых несколько изменены и «совмещены» с отдельными деталями машины [1].

Упругие свойства совме­ щенных опор, их влияние на критические скорости ротора и выбор метода его балансировки еще изучены недостаточно, что сдержи­ вает создание более совер­ шенных конструкций. В предлагаемой работе рас­ сматриваются вопросы оп­ ределения упругих характе­ ристик совмещенных опор и показывается их влияние на критические скорости рото­ ра и выбор метода его ба­ лансировки.

Уравнения упруго-стати­ ческого равновесия подшип­ ника совмещенной опоры можно представить в виде

Рис. 1. Деформация в местах контакта элементов шарикоподшипника совме­ щенной опоры под действием осевой, радиальной и моментной нагрузок

р _

 

\Г<

(Вп-Гт?'2

 

Вх

 

 

 

__

л З / 2

Вп

'

 

 

і

А3'2

'

Вп

 

 

 

__

 

Р..

-

 

{Вп-гт?12

 

Вуп

(1)

 

 

 

 

 

 

л = 1

 

 

 

 

 

 

х:

(Bn-rmf2

 

 

 

 

 

і

 

Вхп

{RH—rH)s\nyn,

 

 

 

д З / 2

 

в„

 

 

 

 

 

 

 

где Вп

Вхп

Вуп

Вхп '•

 

 

п=1

 

 

 

 

 

 

 

 

= У В2хп

+ В2п

+ В2т

—радиус-вектор

 

центра

кри­

визны

желоба

внутреннего

кольца (вала),

начало

ко­

торого

находится

в точке

постоянной

устойчивости

Он,

а конец •— в пространственной точке

СГ, изменяю­

щей свое положение при деформации

(рис. 1);

 

rm

sin в0 +

х0

+

(Re + re )cos в0 sin ф0

sin уп

— проек-

ция вектора Вп

на ось X;

 

 

 

 

 

r m cos6 0 sinY n

+

г/о— (Re+re)

cos B0 (l—cos cp0)sin уп

проекция вектора Вп на ось У;

 

 

 

 

rm

cos Во cos уп

— проекция вектора Вп

на ось _;

 

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ