автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Метод расчета и разработка упорных гидростатических подшипников, смазываемых маловязкими жидкостями

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 .СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Гидростатический принцип работы подшипников.

1.2. Ограничители расхода.

1.3. Форма рабочей поверхности упорного гидростатического подшипника.

1.4. Современное состояние методов расчёта гидростатических подшипников.

1.5. Экспериментальные исследования упорных гидростатических подшипников.

1.6. Выводы. Постановка задачи.

2. СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ, ОПИСЫВАЮЩИХ ПРОЦЕССЫ В СМАЗОЧНЫХ СЛОЯХ УПОРНОГО ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ПОДШИПНИКА И ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ. .54 2.1. Дифференциальные уравнения течения несжимаемой смазки в зазоре упорного гидростатического подшипника (УГСП).

2.2. Определение коэффициента турбулентности kz.

2.3. Уравнение баланса расходов смазочной жидкости.

2.4. Геометрические параметры смазочного слоя.

2.5. Уравнение движения упорного диска.

2.6. Определение интегральных характеристик.

2.7. Численные методы решения задачи.

2.8. Выводы.

3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УГСП.

3.1. Выбор объекта и описание методики численного исследования.

3.2. Влияние режимных и геометрических параметров на характеристики стационарно нагруженных УГСП.

3.2.1. Влияние скорости вращения ротора и свойств смазки на характеристики подшипника.

3.2.2. Влияние зазора и вязкости смазки на характеристики подшипника.

3.2.3. Влияние угла перекоса упорного диска и вязкости смазки на характеристики подшипника.

3.2.4. Влияние давления наддува смазки на характеристики подшипника.

3.2.5. Влияние конструкции и вязкости смазки на характеристики односторонних УГСП.

3.2.6. Влияние конструкции и вязкости смазки на характеристики двусторонних УГСП.

3.3. Влияние режимных и геометрических параметров на выходные характеристики нестационарно нагруженных двусторонних УГСП.

3.3.1. Влияние режимных параметров (FCM,Fd,Q.,y,n,Pp) и вязкости смазки на характеристики нестационарно нагруженных УГСП.

3.3.2. Влияние конструкции на нестационарные характеристики УГСП.

3.4. Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УГСП И ПРОЕКТ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

4.1. Описание экспериментального стенда и объекта исследования.

4.2. Программа и методика проведения экспериментальных исследований.

4.3. Измерение контролируемых величин и оценка погрешности определения основных характеристик подшипника.

4.4. Результаты экспериментальных исследований и сравнение их с теорией.

4.5. Проект практического использования гидростатических опор, смазываемых жидким хладагентом.

4.6. Выводы.

В насосно-компрессорных агрегатах, а также в других видах энергетического и технологического оборудования в качестве смазочной среды опор роторов во многих случаях с успехом могут быть использованы маловязкие рабочие жидкости. Применение гидродинамических подшипников скольжения в этих случаях может быть затруднено, так как они работоспособны лишь при определённом сочетании скорости и вязкости смазки. Это открывает широкую перспективу для практического применения гидростатических подшипников.

В настоящее время к разработке и эксплуатации технологического оборудования предъявляются жесткие экологические требования. В первую очередь это связано с исключением, где это возможно, из технологического процесса смазочных синтетических и минеральных масел, которые являются веществами, загрязняющими окружающую среду. В компрессоростроении и насосостроении одним из путей решения этой проблемы является перевод агрегатов на бесконтактные газодинамические уплотнения и магнитные подшипники. Однако, применение таких узлов приводит к существенному повышению стоимости и эксплуатации технологического оборудования.

Решением экономической стороны вопроса может быть использование в качестве смазки опор рабочих жидкостей агрегатов. Диапазон применения таких опор может быть достаточно широк, начиная с насосов для перекачки воды, различных реагентов и жидких топлив. Из литературы известны конструкции электронасосов и энергетических установок летательных аппаратов, успешно работающие на опорах гидростатического типа со смазкой криогенными и маловязкими жидкостями

1,2,3].

Особенно эффективно применение в качестве смазки подшипников криогенных жидкостей при проектировании новых и модернизации существующих холодильных турбокомпрессоров. Это позволяет решить ряд конструктивных и технологических проблем [4,5]:

1. Исключается проблема загрязнения агента, следовательно, отпадает необходимость разделительных уплотнений;

2. Улучшаются условия работы основных теплообменных аппаратов (испарителя и конденсатора), следовательно, возможно уменьшение их массы и габаритов, замена дорогостоящих медных труб стальными и алюминиевыми. В агрегатах с масляной смазкой неизбежно попадание масла в систему холодильной машины и осаждение ее на стенках и трубках теплообменных аппаратов. Коэффициент теплопроводности масла примерно в 500 раз меньше, чем стали. Следовательно, масляная пленка является эффективным теплоизолятором, препятствующим теплообмену. Поэтому в агрегатах с масляной смазкой приходится идти на увеличение общей поверхности теплообменных аппаратов;

3. Полностью или частично исключается необходимость использования дополнительного оборудования в виде насосов, подающих смазку, охладителей, сепараторов, адсорберов и резервуаров. Это уменьшает вес и габариты турбоагрегата в целом, упрощает его обслуживание и снижает общий уровень шума;

4. Появляется возможность упрощения системы концевых лабиринтных уплотнений путем их частичной замены подшипником, что сокращает осевую длину установки;

5. Повышается механический к.п.д. турбоагрегата, так как динамическая вязкость жидких хладагентов, например, хладона R-134a, почти в 100 раз меньше вязкости масла Т-30 при рабочих температурах. При этом существенно снижаются потери на вязкое трение в опорах;

6. Повышается срок службы опор ротора турбоагрегата, поскольку в подшипниках с наддувом отсутствует контакт, следовательно, и износ рабочих поверхностей при пуске и останове машины. Это обстоятельство облегчает также выбор материала подшипников;

7. Уменьшается пожароопасность установок, поскольку отпадает необходимость в больших запасах масла, что особенно важно для транспортных систем.

В связи с решением международного совещания в Копенгагене (ноябрь 1992г.) о прекращении производства озоноопасного хладона R-12 возник вопрос о подборе смазочных масел совместимых с озонобезопасными хладонами. Например, применение хладона R-134a возможно только при использовании синтетического масла, производство которого в России отсутствует. В результате проведения специальных работ к применению рекомендовано синтетическое масло «Айсматик» SW-46 фирмы «Кастроль» (Германия), что приведет к существенным валютным затратам. Вопрос подбора смазочных масел в таких агрегатах исключается, если перейти на использование опор, смазываемых жидкими хладагентами.

Настоящая работа посвящена исследованию упорных гидростатических подшипников. Исследуется влияние конструкции подшипника и вязкости смазки на характеристики работоспособности. Проведён анализ работы УГСП при произвольном виде нагружения. Получены экспериментальные данные по работе подшипников, подтверждающие правильность разработанной методики расчёта. Предложен проект практического применения исследуемых подшипников в промышленных холодильных агрегатах.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и списка литературы и оформлена в соответствии с рекомендациями изложенными в книге Тунакова А.П. «Как работать над диссертацией ?».

4.6. Выводы

На основе изложенных в данной главе результатов исследований можно сделать следующие выводы:

1. В данной работе разработан экспериментальный стенд для исследования УГСП, позволяющий осуществлять исследования статических характеристик подшипниковых узлов.

2. Разработаны программа и методика проведения и обработки результатов экспериментальных исследований, даётся оценка точности получаемых результатов.

3. Исследованы статические характеристики УГСП.

4. Проведено сравнение полученных экспериментальных результатов с расчётными значениями по предлагаемой методике. Также выполнено сравнение расчётных значений по предлагаемой методике с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов. В целом проведённые сравнения удовлетворительно согласуются между собой.

5. Показан проект реализации результатов выполненной работы в промышленном производстве.

135

Заключение

1. Анализ конструкций и методов расчёта упорных гидростатических подшипников показал:

УГСП могут быть применены практически в любой конструкции технологического оборудования. Применение гидростатических подшипников позволяет решить ряд конструктивных, технологических и экономических проблем при конструировании и производстве агрегатов.

Известные методы расчёта не позволяют рассчитать весь комплекс выходных параметров УГСП при произвольном характере нагружения. При этом в принятых математических моделях не учитывается в комплексе: режим течения смазки, перекос упорного диска, геометрия рабочей поверхности подшипника и нестационарное нагружение.

2. Разработана математическая модель, описывающая процессы в смазочных слоях УГСП. Разработанная математическая модель учитывает: турбулентность потока смазки, перекос упорного диска и геометрию рабочей поверхности подшипника, а также позволяет определить характеристики «ротор-подшипник» при нестационарном нагружении.

Приведён алгоритм решения уравнений Рейнольдса, движения упорного диска и баланса расходов смазочной жидкости, а также вычисления интегральных характеристик подшипника.

Разработана программа расчёта на ЭВМ позволяющая моделировать работу упорного гидростатического подшипника в условиях, приближенных к эксплуатационным.

3. Проведено численное исследование характеристик УГСП в широком диапазоне изменения основных режимных и геометрических параметров, которое показало: использование подшипника с конфузорными рабочими поверхностями на наружной перемычке целесообразно при высоких скоростях вращения ротора. Это позволяет отодвинуть момент образования зон пониженного давления, а также момент, при котором расход смазки через внутреннюю перемычку подшипника отсутствует, в область более высоких скоростей вращения по сравнению с подшипниками с плоской рабочей поверхностью. Кроме того, за счёт увеличения скорости вращения на конфузорной поверхности подшипника появляется гидродинамическое давление. В результате этого несущая способность одностороннего подшипника с конфузорными рабочими поверхностями на наружной перемычке с ростом скорости вращения увеличивается до момента при котором расход через внутреннюю перемычку прекращается; применение подшипника со ступенчатыми рабочими поверхностями не целесообразно, так как рабочие характеристики находятся в области между характеристиками плоских подшипников с зазорами соответствующими зазорам на наружной и внутренней перемычках ступенчатого подшипника; наибольшей несущей способности из двусторонних УГСП обладает подшипник с плоской рабочей поверхностью на ненагруженной стороне и конфузорной рабочей поверхностью на наружной перемычке нагруженной; зазор на ненагруженной стороне двустороннего подшипника необходимо рассчитывать из условия исключения образования зон пониженного давления. Выбор оптимального зазора не ненагруженной стороне, при условии обеспечения требуемой несущей способности, позволяет снизить общий расход смазки через подшипник; минимальными потерями мощности на трение обладает подшипник с плоскими рабочими поверхностями;

4. Экспериментальным путём получены характеристики УГСП. Результаты численного анализа по предлагаемой методике удовлетворительно согласуются с полученными экспериментальными значениями и расчётными и экспериментальными данными других авторов.

5. Результаты выполненной работы в виде программы для расчёта УГСП внедрены на ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа». Они используются при исследовании, отработке конструкций, расчёте и проектировании УГСП для холодильных турбокомпрессоров и винтовых машин различных типоразмеров и модификаций.

138

1. Артеменко Н.П., Чайка А.И., Доценко В.А. Гидростатические опоры роторов быстроходных машин.-Харьков.: Основа, 1992.-132 с.

2. Васильцов Э.А., Невелич В.В. Герметичные электронасосы.- JL: Машиностроение, 1968. -260 с.

3. Герасименко С.С., Иванов А.А. Подшипники герметичных насосов,-Минск.: Наука и техника, 1989. -159 с.

4. Воскресенский В.А., Дьяков В.И., Зиле А.З. Расчёт и проектирование опор жидкостного трения: Справочник.-М.: Машиностроение, 1983.-232с.

5. Риппел Т. Проектирование гидростатических подшипников.- М.: Машиностроение, 1967.-135с.

6. Bently D., Petchenev A. Dynamic stiffness and the advantages of externally pressurized fluid-film bearing// 0rbit.-2000.-№l.- C. 18-24.

7. Bednarek K. Oil Pressure for the Hydrostatic Lubrication of a Hydrogenerator Thrust Bearing with Different Diameters of Lubrication Pockets in Tilting Pads // Lubric.Eng.-1991.-№l.-C. 17-20.

8. Hydrostatic bearing structure: Kraus С. Пат. 4618270, США. Заявл. 4.03.85, №708029, опубл. 21.10.86. МКИ F16 С17/00, F16 С 27/02 НКИ 384/114.

9. Гидростатический осевой подшипник скольжения: Фурукава Й. Заявка 59-99119, Япония. Заявл. 29.11.82, №57-209175, опубл. 07.06.84. МКИ F16 С 39/06, Н02 К5/173.

10. Load bearing surface: Johnson L., Johnson В. Пат. 4454994, США. Заявл. 04.02.82, №345733, опубл. 19.06.84. МКИ В 02 С 2/04, НКИ 241/215.

11. Selt-aligning fluid bearing: Ciystal К. Пат. 4798478, США. Заявл. 16.02.88; Опубл. 17.01.89. МКИ4 F 16 С 32/06, F 16 С 23/04. НКИ 384/12.

12. Method of and apparatus for confrolling a fluid bearing: Sato M., Shimoda I., Canon К. Пат. 4569562, США. Заявл. 19.10.83, №543444, опубл. 10.02.86. Приор. 27.10.82, №57-189683, Япония, МКИ F 16 С 29/02, F 16 С 32/06, НКИ 308/5 R.

13. Устройство автоматического регулирования расхода в замкнутых гидростатических опорах: А.с. 1603348 СССР. Бушуев В. В., Цыпунов О. К., Павлов В. А. Заявл. 06.10.88; Опубл. 30.10.90, Бюл. №40. МКИ5 G 05 D 7/00.

14. Гинзбург И.П. Теория сопротивления и теплопередачи,- Л.: ЛГУ, 1970.375 с.

15. Пинкус, Лунд. Центробежные эффекты в упорных подшипниках и уплотнениях при ламинарном режиме течения// Проблемы трения и смазки.-1981 .-№1 .-С. 121.

16. Шатохин С.Н., Ярошенко С.А. Влияние высокой частоты вращения на эксплутационные характеристики адаптивного гидростатического подшипника// Проблемы машиностроения и надёжности машин.-1990.-№2.-С38-43.

17. Тинг, Мейер. Влияние изменения температуры и инерции жидкости на характеристики гидростатического упорного подшипника// Проблемы трения и смазки.-1971,- №2.-С. 94-100.

18. Hughes W.F., Osterle J.F., Temperature Effect in Hydrostatic Thrust Bearing Lubrication//Trans. ASME.-1957.-Vol. 79.-C. 1225-1228.

19. Доусон, Силы инерции в гидростатических упорных подшипниках// Техническая механика.-1961.-№2.-С. 110.

20. Coombs J.A., Dowson D. An Experimental Investigation of the Effects of Lubricant Inertia in a Hydrostatic Thrust Bearing// Wear.- Vol. 179.-C. 96108.

21. НГ, Пэн. Ламинаризованная теория турбулентного течения смазки// Теоретические основы инженерных расчетов.-1964.-№3.-С.157.

22. Элрод, НГ. Теория турбулентного течения жидкости в тонких пленках и ее применение в подшипниках// Теоретические основы инженерных расчетов-1967.-№4.-С.266.

23. Harada М., Aoki Н., Hondo Т., Suda М. Turbulent Shear Flow in Hydrostatic Thrust Bearing/ Bulletin of the JSME.-№ 188.-vol. 188.-1981.

24. Байков O.B. Расчёт гидростатических подшипников при числе камер больше восьми/ Труды МВТУ.-№494.-1987.-С.4-18.

25. Mueller Н.К. Abdichtung bewegter maschinenteile.-Waiblingen (Germany).-1990.-256c.

26. Фалалеев С.В., Чегодаев Д.Е. Торцовые бесконтактные уплотнения двигателей летательных аппаратов: Основы теории и проектирования.-М.: МАИ, 1998.-267с.

27. Уоллис Г. Одномерное двухфазное течение. -М.: Мир, 1972,440 с.

28. Иванова Н.Г. Расчёт подшипников, работающих на кипящей маловязкой жидкости// Повышение износостойкости и срока службы машин: Тез. докл.-май 1966г.-Киев: 1966.- С.129-134.

29. Браун, Уилер, Хендрикс. Термогидравлическая модель криогенного гидростатического радиального подшипника с полностью связаннымипеременными свойствами жидкости// Проблемы трения и смазки.-1988.-№2.-С. 18-29.

30. Василенко В.М. Влияние вскипания рабочего тела на характеристики гидростатических подшипников// Исследование гидростатических опор и уплотнений двигателей летательных аппаратов: Межвуз. темат. сборник научных трудов.-1987.-С. 10-16.

31. Дональдсон. Влияние переменной вязкости на поведение гидростатической масляной плёнки. Адиабатическое преобразование// Проблемы трения и смазки,-1971.-№1.- С. 144-148.

32. Luis S. Turbulent hybrid bearings with fluid inertia effects// Tribology.-I990.-Vol.l 12.-C.699-707.

33. Toshiharu K., Atsushi Y., Seiji S. Thermoelastohydrodynamic Behavior of Hydrostatic Thrust Bearing//J. Jap. Hydraul. and Pheum. Soc. -1990.- № 4.-C. 392-399.

34. Safar Z. Desing oftilted hydrostatic thrust bearings// Wear.-1981.-№ 2.-C. 243-248.

35. Safar Z. Centrifugal effects in misalignned hydrostatic thrust bearing// Trans. ASME. J. Lubric. Technol.-1983.-№4.-C.621-624.

36. Deek A., Segal А. Исследование характеристик осевого гидростатического подшипника// Constructeur. -1991.-№9.-С.50-59.

37. Левин М.А. Влияние перекосов вала на рабочие характеристики гидростатических опор тяжёлых машин// Вестник машиностроения.-1987.- №3.-С. 11-14.

38. Wenlu L., Mengzhou Z. Caratteristiche di un cuscinetto reggispinta a sostentamento idrostatico in pressione// Lamiera. -1991. -№ 10. -C. 116119.

39. Гхош, Маджумдар. Динамические характеристики жесткости и демпфирования гидростатических упорных подшипников с компенсирующими устройствами// Проблемы трения и смазки.- 1982.-№4.-С.56-62.

40. Mohsin М., Seif A., Shaheen М. The dynamic behaviour of fluid bearings with grooved lands// Tribology.-1986.-№ 3.-C.133-144.

41. Bagci C. Analysis of hydrostatic thrust bearings with confoured sealing lands// ASLE Prepr. ASLE/ASME. Tribol. Conf.- 8-10 oct. 1985.- Atlanta: 1985.

42. Vaughn M., Rylander H. A clearance sensing restrictor for hydrostatic bearing// Tribology.-1989.-№ 3.- C. 317-324.

43. Шань. Оптимальная жёсткость упорного подшипника с внешним нагнетанием смазки в турбулентном режиме// Проблемы трения и смазки.-1970.- № З.-С. 86-93.

44. Линг. О выборе оптимальной жёсткости подшипников с принудительной подачей смазки// Техническая механика.-1962.- № 1.-С. 145.

45. Малоноски, Леб. Сравнительная оценка компенсирующих устройств гидростатического подшипника// Проблемы трения и смазки.-1961.-№2-С.56.

46. Sinhasan R., Jain S., Sharma S. Orifice-compensated flexible thrust pad bearings of different configurations// Tribology.- 1986.- № 5.-C. 244-252.

47. Ингерт Г.Х., Глебкин В.П., Айзеншток Г. И. Потери мощности в высокоскоростных гидростатических подшипниках// Станки и инструменты.-1987.-№ 4.-С.20-22.

48. Найпен, Хэмрок, Скиббе, Андерсон. Оптимизация конического гидростатического подшипника по моменту трения// Проблемы трения и смазки.- 1972.- №2.-С. 32-39.

49. Улкок, Уинн. Повышение долговечности установок с подшипниками качения благодаря использованию комбинированного подшипника// Проблемы трения и смазки.- 1970.- № 3.-С.34-44.

50. Zastempowski В. Procesy przej ciowe w oy sku hydrostatycznym// Prace Naukowe Instytutu Technologii Budowy Maszyn Politechniki Wrocawskiej. -1988. -№36. .-C.267-270.

51. Зайцев Д.К. Численное исследование процесса запуска газового подпятника с наддувом// Проблемы машиностроения и надёжности машин.-1990.- №1.-С.60-64.

52. Прошина Н.А. Экспериментальное определение рабочих характеристик многокамерных гидростатических подпятников// Вестник машиностроения,- 1972,- № 8.-С.З1-35.

53. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970.-904с.

54. Максимов В.А., Баткис Г.С. Трибология подшипников и уплотнений жидкостного трения высокоскоростных турбомашин.- Казань: Фэн, 1998.- 428 с.

55. Исследование возможности перевода подшипников скольжения холодильных турбокомпрессоров на смазку хладагентом. Отчёт по теме №46 КХТИ им. С.М. Кирова 1964.-122с./ Исп. Максимов В.А., науч. руководитель Поспелов Г.А.

56. Подольский М.Е. Упорные подшипники скольжения: Теория и расчёт.-Л.: Машиностроение, 1981.- 261с.

57. Констаниску В., Галетузе С., Кеннеди Ф. Сравнение теории смазки, учитывающей турбулентность и инерционные силы, с некоторыми экспериментальными данными// Проблемы трения и смазки.- 1975.-№3.- С. 109-120.

58. Yamada Y. Resistance of a Flow Through an Annulus With an Inner Rotating Cylinder//Bull, of ISME.-1962.-№18.-C.302-310.

59. Бахвалов H.C. Численные методы. M.: Наука, 1975.

60. Самарский А.А. Теория разностных схем. -М.: Наука, 1979.

61. Карчевский М.М., Ляшко А.Д. Разностные схемы для нелинейных задач математической физики. Казань: изд-во КазГУ, 1976.

62. Гутер З.С., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта.-М.:Физматгиз, 1962.-354с.

63. Харада, Цукадзаки. Статические характеристики гидростатического упорного подшипника с плавающим диском// Современное машиностроение. -Серия А. -1989.-№11.-С.97-104.