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

Динамические реакции

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
13.03.2016
Размер:
1.02 Mб
Скачать

Динамические реакции в подшипниках ротора.

Описание задания. Цель расчета – приобретение опыта исследования роторных машин: вычисление масс-инерционных характеристик ротора, составление дифференциальных уравнений его вращения и уравнений для динамических реакций в подшипниках, исследование уравнений на компьютере.

Рассматриваются роторные машины типа турбины, компрессора и т. п. в неустановившемся режиме разгона или выбега.

Варианты схем машин представлены на рис.1-2. Элементы конструкции считаются абсолютно жесткими, подшипники А, В – точечными, ось ротора бесконечно тонкая, совпадающая с осью вращения. Рабочие колеса принимаются однородными дисками. Через С1 , С2 , С3 на рисунках обозначены центры масс колес, через O1 , O2 , O3 – точки пересечения оси с ортогональными ей плоскостями, проходящими через центры масс колес. Колеса на оси насажены с технологическими несовершенствами: перекосом второго колеса на угол α , указанным на рисунках и смещением Oi Ci (i = 1,3) центров масс первого и третьего. Во всех вариантах для простоты принято, что центр масс второго колеса совпадает с осью вращения, а первое и третье колеса насажены без перекоса.

На рисунках введены вращающиеся с ротором ортогональные системы координат: Axyz ось, z которой совпадает с осью вращения; система коор-

динат Сi xi yi zi ,

полученная из

Axyz , параллельным переносом в центры

масс соответствующих колес; С2 ζ оси,

которой совпадают с главными

осями инерции второго колеса. Ротор вращается под действием момента MD

и сопротивления MC.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

Д z

= M

k

1

ω

z

; k

1

=

k

1т

+ 0,01N; M

C z

= −

k

2

ω2 ;

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

MO = MO Т ( 1 + 0,01n ) 100;

 

m i

= m i Т ( 1 + 0,01N ) ;

 

 

 

 

O1 С1 = O1 C1Т( 1 + 0,01N ) 10-3 ;

k 2 =

k 2 т ( 1 + 0,01N ) 10-2 ;

(1)

a =

a т + 0,001n;

 

b =

b т + 0,001N;

c = c т + 0,001n.

 

В расчёте требуется для конкретного ротора записать уравнения его

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

динамики и выразить из них ,

XB ,

YB , XA ,

YA , а затем выполнить компью-

терное моделирование движения ротора.

1

2

3

 

 

 

4

5

6

 

 

 

7

8

9

 

 

 

10

11

12

 

 

 

13

14

15

 

 

 

Рис.1.

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Рис.2.

Таблица 1.

Вар.

m1т

m2т

R1

R2

O1 С1т

α

a т

b т

c т

MO т

k 1т

k 2т

ω0

 

1

100

90

0,23

0,21

0,2

0,022

0,20

0,20

0,15

12

1,1

0,3

0

5,76

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

80

90

0,27

0,29

0,3

0,018

0,10

0,15

0,10

10

1,2

0,7

990

3,36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

60

70

0,25

0,30

0,2

0,021

0,12

0,11

0,14

13

1,2

0,2

400

6,72

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

70

80

0,12

0,18

0,1

0,024

0,15

0,20

0,15

8

1,3

0,8

590

1,20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

80

90

0,21

0,28

0,1

0,028

0,18

0,18

0,14

12

1,6

0,3

0

5,52

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

40

60

0,20

0,18

0,2

0,015

0,11

0,12

0,12

13

1,1

0,9

600

0,96

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

100

120

0,25

0,30

0,5

0,023

0,12

0,45

0,14

12

1,7

0,1

300

9,84

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

80

100

0,21

0,23

0,2

0,026

0,12

0,25

0,12

6

1,1

0,9

500

2,88

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

100

110

0,29

0,30

0,4

0,024

0,14

0,18

0,18

14

1,2

0,2

200

9,84

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

70

90

0,23

0,28

0,2

0,016

0,11

0,22

0,14

10

1,3

0,7

0

4,80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

160

0,31

 

0,3

0,026

0,30

0,28

6

1,2

1,2

600

3,60

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

60

80

0,24

0,28

0,2

0,018

0,10

0,25

0,10

15

1,4

0,1

400

5,76

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

40

50

0,15

0,18

0,1

0,015

0,08

0,15

0,09

9

1,5

0,5

0

1,44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

80

90

0,26

0,30

0,2

0,022

0,10

0,10

0,10

8

1,3

0,9

500

6,24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

90

70

0,16

0,28

0,1

0,019

0,11

0,16

0,15

7

1,2

0,4

0

5,04

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

30

40

0,21

0,25

0,2

0,020

0,08

0,22

0,09

13

1,1

0,5

800

1,44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

70

80

0,20

0,28

0,4

0,026

0,11

0,30

0,08

11

1,3

0,2

0

6,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

30

50

0,18

0,21

0,3

0,021

0,10

0,10

0,09

9

1,6

0,5

0

2,16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19

60

70

0,17

0,19

0,2

0,023

0,08

0,25

0,08

30

1,5

0,2

0

1,92

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

50

70

0,14

0,17

0,3

0,024

0,28

0,08

0,08

12

1,7

0,9

800

0,72

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

40

60

0,23

0,26

0,3

0,018

0,07

0,27

0,09

10

1,2

0,8

500

2,88

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22

90

0,31

0,4

0,025

0,10

0,25

10

1,6

1,5

580

1,68

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23

60

70

0,25

0,30

0,2

0,022

0,12

0,15

0,15

18

1,1

0,2

0

6,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24

30

50

0,28

0,31

0,3

0,027

0,10

0,16

0,16

10

1,2

0,2

0

5,04

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25

40

50

0,23

0,24

0,1

0,019

0,12

0,12

0,12

5

1,4

0,8

400

2,16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

26

30

40

0,18

0,19

0,1

0,015

0,11

0,16

0,15

26

1,3

0,1

600

1,20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

27

40

30

0,20

0,17

0,1

0,018

0,08

0,25

0,07

19

1,5

1,6

600

0,48

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

28

50

50

0,22

0,22

0,3

0,024

0,12

0,10

0,12

5

1,2

1,3

490

1,20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29

50

40

0,18

0,15

0,2

0,017

0,11

0,12

0,12

6

1,3

0,8

500

0,96

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

100

 

0,35

0,3

0,023

0,18

0,18

3

1,1

1,6

400

3,36

Исходные данные, для каждого варианта определяются по формулам (1) и табл. 1:

Будем представлять реакции в подшипниках в виде суммы статических и добавочных динамических реакций, причём ограничимся нахождением только последних.

Тогда при указанном выборе системы координат получаем следующее уравнение вращения ротора:

..

----

 

Jzz

= MA z ( F k ) ,

(2)

k

которое дополним уравнениями для нахождения добавочных динамических реакций, имеющими такой вид:

 

 

 

..

 

m x

 

.

 

X + X ,

 

 

 

m y

2

=

 

 

 

m x

C ..

 

 

C .

 

 

A

 

 

B

 

 

 

 

C

 

m y 2

=

Y + Y ,

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

A

 

 

B

 

 

 

 

 

..

 

 

.

 

 

z

 

Y

 

z

Y

(3)

 

J

+

J 2

= −

 

,

 

xz ..

 

yz .

 

z

 

A

 

A

z

 

B

B

 

 

J

J 2

=

X

 

+

X .

 

 

yz

 

 

 

xz

 

 

 

A

A

 

 

B

 

B

 

Здесь: – угол поворота ротора;

m – его масса;

xC и yC – коорди-

наты его центра масс в осях Oxyz ;

Jxz , Jyz ,

Jzz

моменты инерции рото-

----

----

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ра в этих осях; F1

, F2 ,

действующие на ротор внешние активные си-

лы; zA , zB – координаты точек A и B ;

XA ,

YA ,

XB , YB

– компоненты до-

 

 

 

 

 

----

----

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

бавочных динамических реакций R A , R B в подшипниках.

Напомним, что моменты инерции твёрдого тела совпадают –

с точностью до

знака – с компонентами оператора инерции (тензора инерции) данного тела.

-

– оператор инерции тела относительно полюса O, то

Именно, если JO

матрица данного оператора в системе координат Oxyz имеет вид

 

 

 

Jxx

Jxy

Jxz

 

 

I

O xyz

 

 

Jyy

Jyz

 

 

 

=

Jyx

.

(4)

 

 

 

Jzx

Jzy

Jzz

 

 

Здесь в виде верхнего индекса указана используемая система координат. В выкладках, которые сопровождают выполнение данного типового расчёта, приходится иметь дело с матрицами и столбцами, состоящими из компонент операторов и векторов в различных системах координат. Во избежание путаницы целесообразно все используемые системы координат указывать явно.

Применительно к типовому расчёту ДР уравнения (2), (3) можно несколько конкретизировать. Именно, примем за начало координат точку A; тогда слагаемые с zA исчезнут. Далее, учтём, что в сумму, стоящую в пра-

вой части (2), входят – по условию –

лишь два слагаемых: проекции MD z и

MC z

------

------

вращающего момента MD и момента сопротивления MC на ось z . То-

гда,

принимая во внимание (1) явные выражения для MD z и MC z , предста-

 

.

.

вим эту сумму в виде M0 k1 k2 2 .

При решении задач по теме “Динамика твёрдого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси” на этапе составления уравнений движения тела можно придерживаться следующей последовательности действий:

1°. Найти массу и радиус-вектор центра масс твёрдого тела (определив тем самым коэффициенты m, xC и yC ).

2°. Найти матрицу оператора инерции твёрдого тела в используемой систе-

ме координат (определив тем самым коэффициенты Jxz , Jyz ,

Jzz ).

 

 

 

3°. Записать уравнения динамики твёрдого тела.

 

 

 

 

 

Поскольку масса, радиус-вектор центра масс и оператор инерции абсо-

лютно твёрдого тела –

аддитивные величины, то в задании расчёта Д-6 эти

характеристики ротора вычисляются суммированием:

 

 

 

 

 

m = mj ,

---

 

1

---

 

I

Axyz

 

Ij

Axyz

 

 

rC

=

−−

mj rC

,

 

=

 

,

(5)

j

 

 

m

j

j

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где j – номер диска,

Cj

его центр масс

 

(вместо самих операторов

инерции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в этих формулах фигурируют их матрицы).

Таким образом, все указанные характеристики следует сперва рассчитать по отдельности для каждого диска. Рассмотрим, как это делается.

 

 

yP2 + zP2

 

xP yP

IPOxyz =

m

yP xP

 

 

zP2 + xP2

 

 

 

 

 

 

 

zP yP

 

 

zP xP

 

O ζ

m R

2

1

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

Ij

= −−−−

0

1

0

 

 

 

4

 

 

 

 

2

 

 

 

 

0 0

 

xP zP

yP zP , xP2 + yP2

(6)

Формулы (6) представляют в явном виде соответственно матрицу оператора инерции материальной точки P массы m в произвольной системе координат Oxyz и матрицу оператора инерции однородного тонкого диска массы m и радиуса R в системе его главных центральных осей инерции O ζ . При этом предполагается, что ось ζ перпендикулярна плоскости диска, а через j вновь обозначен номер диска.

Начав с выражения, даваемого второй из формул (6), можно вычислить матрицу оператора инерции диска в любой системе координат, пользуясь следующими преобразованиями:

I. Переход от центральных осей к осям, им параллельным:

IjOxyz

= IjO ζ + ICO xyz .

(7)

II. Переход к новым осям с тем же началом:

IjOxyz

= IjO ζ т .

(8)

В формулах (7), (8): ζ и xyz – соответственно “старые” и “новые” координатные оси; C – центр масс тела j ; т – символ транспонирования матрицы. Последнее слагаемое в (11) обозначает матрицу оператора инерции воображаемой материальной точки, у которой масса равна массе тела j и которая помещена в его центр масс; элементы этой матрицы вычисляются в соответствии с первой из формул (6). Через обозначена матрица направляющих косинусов между “старыми” и “новыми” осями:

γx= γyγz

γx

γxζ

γy

γyζ

γz

γz ζ

, γx = cos (x, η ) , . . .

Что касается вычисления радиус-векторов центров масс, то столбец компонент радиус-вектора произвольной точки P преобразуется при перехо-

де от “старых” осей ζ

к “новым” осям xyz по следующим формулам:

 

r Oxyz

=

r O 'xyz

+

r Oxyz

,

r Oxyz

=

r O ζ

;

(9)

P

 

P

 

O '

 

P

 

P

 

 

здесь первая формула соответствует параллельному переносу осей из точки O' в точку O , а вторая – повороту осей при том же начале.

= − k 2 ω2z .

После того, как – в соответствии с последней из формул (9) – матрица оператора инерции ротора будет вычислена, Вы сможете, учитывая (8), найти моменты инерции Jxz , Jy z , Jzz .

Помните, что центробежные моменты инерции входят в матрицу I O xy z со знаком “минус”, и не забудьте изменить знак!

Получив уравнения динамики ротора в форме (2), (3), введём обозначе-

. ..

ния ωz = , εz = и найдём из полученной системы нужные нам расчётные формулы для εz , XB , YB , XA , YA (их следует записать именно в этом

порядке; в формулах могут фигурировать величины, уже определённые ра-

.

нее). Заметим, что дифференциальное уравнение = ωz можно не рассма-

тривать (расчётные формулы не зависят от ), так что система дифферен-

.

циальных уравнений (1) сводится к одному уравнению ωz = εz (ωz ). При этом XB , YB , XA , YA играют роль вспомогательных переменных.

Теперь всё готово для работы с программой dr. В меню для ввода параметров задания присутствуют две группы параметров: в первую входят m1,

m2 , R1 , R2 , δ, α,

a, b, c, M0 , k1 , k2 , а во вторую –

ωz(0)и τ.

Буквой

δ обозначено расстояние O1 C1 .

Параметры второй группы должны быть за-

даны обязательно.

Поскольку

коэффициенты xC , yC ,

zB , Jxz ,

Jyz , Jzz

обычно находят численно, то значения большей части параметров первой группы, как правило, вводить не нужно. Что касается ввода расчётных формул, то в их правых частях могут фигурировать – помимо параметров первой группы – переменная состояния ωz и величины, определённые предыдущими формулами.

 

 

 

По завершении интегрирования уравнений движения программа dr

позволяет вывести на экран графики зависимостей величин ωz , εz , RA

 

----

 

,

 

 

 

R A

 

RB

 

 

----

 

от t, а также таблицу значений ωz , εz , XA , YA ,

XB , YB , RA , RB

 

 

 

 

R B

 

в отдельные моменты времени.

 

 

 

 

 

 

Пример выполнения задания: Вар. 31 ( n = 3,

N = 7 ).

Рассматривается переходный режим вращения ротора турбины после увеличения нагрузки. Значение вращающего момента M Д z = MO k 1 ωz , Момент сил сопротивления, пропорциональный квадрату угловой скорости вращения вала M C z

Дано: MO = 1950 Hм, k 1 = k 1т + 0,01N = 1.57 Hмc, k 2 = 0.039 Hмc2 .

Массы дисков m1 = 47 кг; m2 = 57 кг; m3 = 37 кг. Их радиусы R1 = 0.17 м,

R2 = 0.2 м, R3 = 0.15 м. Эксцентриситеты первого и третьего диска соответственно равны: O1 C1 = 0.0004 м и O3 C3 = 0.0003 м.

Рис.3.

Углы α = 0.019 рад, β = 0.68 рад. Расстояния между дисками а = 0.133 м; b = 0.267 м; c = 0.093 м. Начальная угловая скорость вращения ротора ωz (0) = 600 рад/с. Время выхода на установившийся режим = 0.48 с.

Требуется:

1.Определить в осях Аxyz координаты центра масс C ротора и его оператор инерции;

2.Составить уравнения вращательного движения ротора и уравнения для определения динамических реакций в подшипниках;

3.Проинтегрировать дифференциальные уравнения движения на заданном интервале времени и определить изменение во времени ди-

намических реакций.

4.Построить графики ωz ( t ), ε z ( t ), RА ( t ), RВ ( t ).

Вычисление масс-инерционных характеристик ротора

Масса ротора определяется как сумма масс колес:

m = m1 + m2 + m3 = 47 + 57 + 37 = 141 ( кг ).

Координаты центров масс дисков Ci в системе координат Аxyz в соответствии с рис. 3.

C1

{0.000252 , 0.000312,

0.133} ;

 

 

 

 

 

 

C2

{0 , 0, 0.36} ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C3

{0 ,

0.0003, − 0.093}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Координаты центра масс ротора xС , уС находятся по формулам

 

1

4

 

= 0.83710 4

 

 

 

 

1

 

 

4

= − 0.25510 4 м.

xС =

 

 

mi xC

м; yС

=

 

mi yC

 

 

 

 

 

 

m i = 1

 

i

 

 

 

 

 

m i = 1

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тензор инерции второго диска в осях C2 η ζ имеет вид

 

 

 

 

 

 

C2 ζ

 

mR

2

1

0

0

 

 

 

 

 

 

=

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

I2

4

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

2

 

Тензоры инерции первого и третьего дисков имеют аналогичный вид

 

2

1 0 0

 

 

2

1 0 0

I1C1 x1 y1 z1 =

mR1

 

0 1 0

 

;

I3C3 x3 y3 z3 =

mR3

 

0 1 0

 

4

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0 2

 

 

 

 

 

0 0 2

 

В осях C2 x2 y2 z2 тензор инерции второго диска определяется с помощью матричного преобразования

I2C2 x2 y2 z2 = I2C2 ζ т

В этом случае матрица такова:

 

cosα

0 −sinα

 

=

0

1 0

 

 

sin α 0 cosα

Так как угол перекоса второго диска α на самом деле мал, то далее будем пренебрегать величинами второго и более высокого порядка малости по

α, пологая sin α = α и cos α = 1. В таком случае

C x y

z

2

 

m R 2

1

0 − α

1

0 0

 

1 0

α

 

I2 2 2 2

 

=

2 2

 

0

1 0 0

1 0

0 1

0 =

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

α

0 1

0

0 2

α 0

1