автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Определение областей устойчивости подшипников с газовой смазкой

Введение.

Глава I. Обзор основных работ и постановка задачи исследования

1.1 Опоры скольжения с газовой смазкой и область их применения

1.2 Современное состояние вопроса

1.3 Подшипники с негладкой поверхностью вала.

1.4 Постановка задачи исследования

Глава 2. Устойчивость смазочного слоя газодинамического подшипника '.

2.1 Состояние теории устойчивости смазочного слоя

2.2 Газодинамический подшипник как система с цилиндрической фазовой поверхностью

2.3 Приближенное вычисление характеристического показателя

2.4 Пути повышения зоны устойчивости смазочного слоя

2.5 Способы стабилизации изменением геометрии подшипника

2.6 Влияние непостоянства вязкости неизотермический процесс.

2.7 Условия устойчивости смазочного слоя при нестационарном режиме распределения давления

Выводы.

Глава 3. Определение областей устойчивости смазочного слоя приближенным методом.

3.1 Возможность представления характеристик режима различными способами.

3.2 Исходные уравнения и система отсчета

3.3 Интегрирование уравнений и условие стационарности

3.4 Устойчивость стационарных режимов

Выводы.

Глава 4. Устойчивость газовых подшипников с негладкой по* верхностью вала.

4.1 Общие сведения.

4.2 Исходные положения и уравнения

4.3 Устойчивость вертикального вала с шевронными канавками первое приближение

4.4 Уточненные условия устойчивости вращения вала с шевронными канавками.

4.5 Устойчивость смазочного слоя подшипника с шевронными канавками в зависимости от приложенной нагрузки. Выбор параметров канавок

Выводы.III

Основные результаты работы и выводы.

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года", принятых ХХУ1 съездом КПСС , указывается на необходимость повышения качества, надёжности, экономичности и производительности машин. Осуществлению этих задач способствует использование опор с газовой смазкой, имеющих высокую быстроходность, точность, малое трение, долговечность и другие положительные качества. Обладая стойкостью к внешним воздействиям, они могут быть применены там, где опоры других типов оказываются неэффективными или просто неприемлемыми.

Газовые подшипники широко применяются в различных областях техники. Высокоскоростные шпиндельные узлы с подшипниками на газовой смазке - непременное оборудование станкостроительных предприятий. Опоры на газовой смазке с успехом применяются в турбодетандерах, криогенной технике, химических агрегатах, измерительных машинах и других устройствах.

В составе судовых энергетических установок имеются узлы ^турбо-электроприводы, насосы, компрессорыJ использование в которых газовых опор позволяет повысить их эффективность. Газовые опоры оказываются незаменимыми в судовых ядерных установках, навигационных приборах повышенной точности.

Однако наряду со многими неоспоримыми преимуществами, газовые опоры имеют такой серьёзный недостаток, как склонность к неустойчивой работе, которая может проявиться самым различным и неожиданным образом.

В литературе отмечается недостаточная изученность процессов в газовой смазке и сопутствующих им явлений. Существующие метода расчетов, построенные на предположении о стационарности процессов в смазочном слое в ряде случаев приводят к неприемли-мым результатам, плохо или вообще не согласующимися с опытными данными.

В связи с этим, исследование устойчивости и стационарности процессов в смазочном слое и использование получаемых результатов в расчетах и проектировании газовых опор является весьма актуальным.

Целью работы является исследование устойчивости газодинамических подшипников скольжения на основе анализа устойчивости движений потока смазочного слоя. Для этого требуется:

- получить условия стационарности решений уравнения Рейнольдса для газового подшипника во всем диапазоне изменения конструктивных и кинематических параметров опоры;

- перенести полученные условия устойчивости и стационарности смазочного слоя для гладкого вала на опоры с некруглой по -верхностью, в частности на валы с шевронными канавками;

- установить соответствие между критериями устойчивости смазочного слоя с известными динамическими критериями устойчивости движения вала в подшипниках;

- сравнить полученные результаты с данными опубликованных теоретических и экспериментальных исследований, дать их оценку;

- указать наиболее простые способы изменения формы поверхности вала с целью обеспечения устойчивости подшипника;

- выявить возможность использования в газовых опорах критических чисел Рейнольдса для определения характера потока смазки.

Методы исследования. Для получения условий стационарности смазочного слоя использовались точные математические методы нелинейной механики, в частности, методы анализа первых интегралов урав< нения Рейнольдса с использованием цилиндрической фазовой поверх -ности. Для получения формул первого приближения использовался метод малого параметра в одном из его вариантов, применяемого для решения задач технической кибернетики. В силу плохой сходимости численных расчетов, предпочтение отдано аналитическим методам исследования, ЭВМ использовалась ограничено - для конкретизации отдельных выражений.

Научная новизна. Показано, что при решении общей задачи устойчивости опоры следует добавить к известным критериям устойчивости подшипника условия устойчивости стационарного потока газовой смазки.

Определено, что в пространстве между двумя цилиндрическими поверхностями при их относительном вращательном движении возможно нарушение стационарности потока газа при числах Рейнольдса значительно меньше критических. Получено условие устойчивости и стационарности потоков для течения Куэтта и смашанного течения Куэт-та и Пуазейля,которое может быть применено в различных областях техники.

Выведено условие перехода стационарного режима движений потока газовой смазки в нестационарный в виде соотношения между кинематическими и конструктивными параметрами опоры.

Установлено, что для обеспечения устойчивой работы подшипника без нагрузки необходимо, чтобы по поверхности опоры при вращении вала пробегала волна давления с амплитудой не меньше определен -ной величины.

Практическая ценность работы. I, Получены критерии устойчивости и стационарности смазочного слоя должны учитываться при определении областей устойчивости газодинамической опоры наравне с известными динамическими критериями устойчивости.

2. На основании полученных: критериев устойчивости смазочного слоя даны рекомендации по выбору конструктивных параметров динамически устойчивых подшипников.

3. Показана роль изменения геометрии поверхностей опоры для обеспечения устойчивости подшипника.

4. Получены формулы, позволяющие расчитывать основные параметры шевронных канавок, наносимых на поверхность валов.

5. Условия устойчивости смазочного слоя могут быть использованы в других областях физики и техники ( например, при решении некоторых задач массо-теплообмена) .

6. На основе проведенных исследований разработана методика расчета газодинамических подшипников с шевронными канавками, которая была использована во ВНИЙРПА им. A.C. Попова при создании уникальной аппаратуры записи информации лучем лазера.

Работа выполнена на кафедре Теории механизмов и деталей приборов Ленинградского ордена Трудового Красного Знамени института точной механики и оптики по темам F!c 79160 , № 81223, отнесенных Минвузом СССР к числу важнейших.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Одной из причин нарушения устойчивости работы газодинамических подшипников является изменение характера потока газовой смазки.

2. В смазочном слое газодинамического подшипника возможно нарушение стационарности потока при числах Рейнольдса значительно меньше критических.

3. Для малонагруженных подшипников основным источником неустойчивости является нарушение стационарных режимов смазочного слоя.

4. Известные критерии устойчивости подшипника, учитывающие динамику подвижных частей опоры должны дополняться условиями устойчивости и стационарности потока смазки.

5. Роль шевронных канавок состоит в разрушении возникающих вихрей смазочного слоя.

6. Метод расчета параметров шевронных канавок.

Результаты исследования и разработанная на их основании методика расчета шпиндельных узлов с воздушной смазкой использовались во ВНИИРПА им. A.C. Попова при создании уникальной отечественной аппаратуры записи информации лучем лазера, что позволило избежать крупных валютных затрат.

Методика проектирования газодинамических подшипников скольжения используется во ВНИИМ им. Менделеева при расчете высокоточных, быстроходных подшипников для измерительных приборов. \1Ч

1. Абдул-Вахед (Ь/.OédU- WaÁtd), Николас (Л //¿calas) , Паскаль (MT. Pas caí J. Устойчивость подшипников крупныхтурбомашин и их колебания, вызванные дебалансом. Проблемы трения, 1982, т. 104, № I» с. 184 - 189.

2. Опоры скольжения с газовой смазкой Под ред. С.А.Шейнберга, 2-е изд. доп. и перераб. М.: Машиностроение, 1979,-336с.

3. Пинегин C.B., Поспелов Г.А., Пешти Ю.А. Опоры с газовой смазкой в турбомашинах ограниченной мощности. М.: Наука, 1977,- 149 с.

4. Пинегин C.B., Коровчинский М.В., Жедь В.П. "Международный симпозиум по газовой смазке" 11-27 июня 1968 г.". М.: Наука, 1969.- 149с.

5. HitnÇ. Sun pb'ncip&uoc phénomènes <ju/ ptcson -tcni ¿ôô' jtottemtnts' nnícl'ais. -BuCC. Soc. ÏJncLmuíhouAt, I/ ¿6t P г/о-г/6.6. ¡í¡rujj$6titj G.f meats' with, on CL\ LuMcaUd УоилпаС, ~ CI meticón CfocJetu о/ A/oufal £noirie¿n$.v. /X.' lS97,p.№.

6. Haiiisonff). Cl. 7A¿ fiydwdynamit Jfieoiy of Laêt/cation with SpeOaê ñej^ence to ÛJ4 a¿ a1.é^'cani. %ans? CasnStige PAiéosopAicaf S'os/ety. i/.¿¿, 39-Яр.

7. Шейнберг С.A. Газовая смазка подшипников скольжения теорияи расчет . Трение и износ в машинах. М.: АН СССР, 1953, вып. 8, с. 107-204.9. ¡7¡peí M ¿cuaiuá, LlJ^/ôclùcJ ¿acaü¿¿ Clcccd, Я.Р.Я. /¿/ ^-/z, /3S4.

8. Constant?ries cu. ¡/.л/, flùpabÙÙa cUрьез!ил>/п 1¿¿a dt aitoncjiït ¿nf/nJÍa ¿u¿*c¡coûte. бсс- Comunicad & Ûs&d. R.P.R.t И 2V /3â5.

9. Дроздович В.H. Газодинамические подшипники. Л.: Машиностроение, 1976 г. 208с.

10. Шейнберг С.А. Виброустойчивость подшипников с газовой смазкой. Вестник машиностроения. 1961, № 6, с. 3-10.

11. PoVií/ty и\ Contribution Ío 11Ле 76согу of 0¡¿. -Whip. fyans of ¿be. ÛSM£> ÍSt бt Únq /SSi.53 //£/

12. Гросс ( WA (JlOSS') . Исследование блуждания в подшипниках скольжения с внешним нагнетанием воздушной смазки. -Техническая механика, 1962, Р I, с. 159-167.

13. Whtlây S v беШС. Study of g eus- àdzJcated,hijcLwdynctmict fuU journal ¿¿aUngS-- Butisk

14. Уоиггъаё of ûf/oé/Ы Physic*, v. /0, /959, №/0, 9SSp

15. L&tson R.Kj ftzt&aicLson &f>teám¡naty Study of l/l/îtê ynst&S/ûty jut /kessubêZed fítsoe&V/tp.-Jiang. о/iAe ÔSMB, Set Л Z)ec /Э61, /> <K

16. Маккэнн (Me. Cann R.CL) Устойчивость ненагруженного подшипника с газовой смазкой. Техническая механика, 1963, т. 85 сер. Д, Ш 4, с. 42 - 46.

17. Кастелли (Casütt) (/.) , Элрод (fJioo/.H.D.) . Решениезадачи об устойчивости 360°-ных самогенерирующихся подшипников с газовой смазкой. Теоретические основы инженерныхрасчетов, 1965, № 3, с. 241-247.

18. Осмен (СЬсы/тСиП X $ О поведении радиальных подшипников с газовой смазкой под воздействием синусоидальных внешних нагрузок. Теоретические основы инженерных расчетов. 1965, Р 3, с. 62 - 77.

19. Фуллер (РиИег 2). Ъ). Состояние работ в области расчета самогенерирующихся подшипников с газовой смазкой. Проблемы трения и смазки, 1969, т.91 сер. Р , № 1,с. 74 - 81.

20. Осмен (йи зтоп л. Улучшенное аналитическое решение для газовых подшипников. Техническая механика. 1961, т. 83, сер. Д, № 2, с. 66-71.

21. Константинеску (Сопз1оп¿/ПС$С.и> У-/1/) . О гидродинамической неустойчивости радиальных подшипников с газовой смазкой. Теоретические основы инженерных расчетов. 1965, № 3, с. 50- 55.

22. И. й Пой. оп {/и /УогК <0Jr)^/lt

23. Уоиь/г&б ¿у сс Сотрге,$$'6&е> ¿^иЛыеапд ма Уоилпа1 (Ье&г/пу. Тыл*, о/ Ш вег.Ъ, I

24. Купер (Соиреъ . Оценка возможностей технического определения характеристик газового подшипника. Техническая механика, 1961, т. 83, сер. 2) , № 2, с. 73-79.

25. Пэн (Рап С-КТ.), Штернлихт ЗЫгпАсМ В.) .0 переносном движении блуждании вала вращающихся в гладких цилиндрических подшипниках с газовой смазкой. Теоретические основы инженерных расчетов, 1962, № I, с. НО - 119.

26. Осмен (ССиЗтап!<Гу1 Теория устойчивости рН-линеаризированного приближения для переносного получастотного блуждания вала в длинных самогенерирующих подшипниках с газовой смазкой. Теоретическая механика, 1963, № I, с.160-170.

27. Uit/n<f.- Tians*. cfÜS/TiE, i/o f. Яд, /3S#. W-Wp31. таи А И. Tfat Jtctßi&ty о/ aetödynasr)}c jag

28. Ь/n^s'. /7.ec/ian)cai dfsiß/neet/n^ S'cj/ics

29. Wonoftap/i, Jnst of/7/aeA A?^ WestmJ96S* typ.32. Пэн (Pan СИЛ),

30. Кельзон A.C., Яковлев Б.И., Яковлева Т.С. Динамические характеристики подшипника с газовой смазкой. Машиноведение. 1982, № 5» с. 21-30.

31. Грудская Е.Г., Карпов B.C. Сравнение точности некоторыхприближенных методов при определении устойчивости газовых опор. Труды ЛШ, 1976, № 352, с. 59-62

32. Маслаков Ю.В. Расчет газового подшипника. Труды ЛГШ, 1961, Ш 217 , с. 156-167.

33. Гросс £ (^WSS. Решение уравнения Рейнольдса для пленок газовой смазки методом малых возмущений. Техническая механика, 1961, т. 83, сер. Ъ , № 2, с 10-16. '

34. Константинеску В.Н. Газовая смазка. Пер. с румынского.

35. Под. ред. М.В.Коровчинского . М.: Машиностроение, 1968.

36. Шуллер (^Sulitb F.T). Экспериментальное исследование устойчивости гидродинамических радиальных подшипников скольжения постоянной геометрии с водяной смазкой и нулевой нагрузкой. Проблемы трения и смазки, 1978, № 4.

37. Воор /окч У.Н). Экспериментальное исследование вихрей Тейлора и турбулентности в потоке между эксцентричными вращающимися цилиндрами. Проблемы трения и смазки, 1968, т. 90 сер. F , № 4, с. 299-315.

38. Ъашшгеи(Сиппт^Аагг) Я.В) , Флеминг (Flamin^ D.P\ ka^e^Qon^ndebSon Статические испытания воздушных радиальных подшипников с внешним наддувом при наличии вращения. Проблемы трения и смазки. 1970, т. 92, № 2.

39. Емельянов A.B., Емельянова JI.C. Теория газового подшипника со спиральными канавками, учитывающем эффект скольжения и местной сжимаемости. Механика жидкости и газа. 1971, Р 5,с.8

40. Дейтон (JDaylo/7 Экспериментальные исследования дисбаланса ротора, опирающегосяна газовые подшипники с внешним наддувом. Проблемы трения и смазки, 1973, №4, с. 17-19.

41. Табачников Ю.Б., Шевченко A.B., Степанчук В.И. Исследование и оптимизация радиальных газостатических подшипников с продольными канавками с учетом угловой жесткости. М.: Машиностроение, 1981, № 2, с. 100-103.- нэ

42. Проблемы трения и смазки, 1974, т. 96, сер. F , № If 215с.

43. Шлошсш (/Tlobict/iost'S-ß) Пэн {РйлС.Т.), Статические и динамические характеристики упорного подшипника соспираль-ными канавками. Теоретические основы инженерных расчетов, 1965, № Зг с. 13 - 18.

44. Уилдмен (\^/fldmom М) . О поведении плоских упорных подшипников, работающих на сжимаемой смазке. Проблемы трения и смазки, 1968, № 4, с. 237 - 241.

45. Константинеску(Constcxn.ttnestu V.M), Кастелли (CcLSÜllq V.) О влиянии локальной сжимаемости смазки в подшипниках со спиральными канавками. Проблемы трения и смазки, 1969,1. I, с. 88-96.

46. Вор I\/ок% У.Н)* Чау (CAovt С. У.) . Характеристики газовых радиальных подшипников с шевронными канавками. Теоретические основы инженерных расчетов. 1965, № 3, с. 37 - 40.

47. Хирс (Н/г4 £ (J.I Зонневельд (&onnti/S-e£cl У. у Новый метод травления канавок на поверхности подшипников и других деталей машин. Проблемы трения и смазки. 1980, Р 3, с 144-I4i

48. Сипенков Й.Е., Григорьев B.C. Определение осевой)несущей спосбности профилированных сферических опор с газовой смазкой. Проблемы развития газовой смазки. 4.1. М.: Наука, 1972. с- 12-15.

49. Каннингем (Сиплт^Ааю К.Е.) , Флеминг^Ь.й) 9 Андерсон 0.пс1е1воа Экспериментальное исследование устойчивости радиальных газовых подшипников с шевронными канавками. Проблемы трения и смазки. 1969, № I. с 58-66.

50. Тгапв. ОШВ, set.Fl к/9. А/3.56. д¡рылась А. С. й ПсЫ. оп¿п Ьо&сС Уоита/ , $ тс и сап. Зо&е.^ о/57. Кастелли

51. Са*Ы& I/) , Пирвикс(У ) . Обзор численных методов решения задач газового подшипника. -Проблемы трения и смазки. 1968, № 4, с. 129-149.

52. Щ СМ- Р^шсС РошъоСси/оп о/22?1. Поп -Тг»м. Я^/Пк, I/.?,

53. Ацдронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.8. Теория колебаний. -М.: Физматгиз, 1959.- 913с.

54. Трикоми Ф. Дифференциальные уравнения. М.: ИЛ, 1962, 351с.

55. Гантер /Оип-ЫгЕ. У. ) , Баррет (ВаЛЪ&£ А. В)% Аллэр (йМапё РД Проектирование демпферов со сдавливаемой пленкой для авиационных двигателей. Проблемы трения и смазки, 1977, № I, с. 61-71.64. р!'пки$ д. УпуезЬуаЬоп в/Яе$олоп^. ¡¿//¡¡ру.М, /Ж

56. Поспелов Г.А., Репин В.А. Исследование работоспособности эллиптических подшипников с газовой смазкой. Сб. "Проблемы развития газовой смазки", часть I. М.: Наука, 1972.

57. Кумар (&итаг 0.) , Синхасан/^^¡пка^ощ Л.), Синг (а, Рабочие характеристики двухклиновых гидродинамических радиальных подшипников. Проблемы трения и смазки, 1980, № 4.

58. Даусон (7)огО'5оп Ъ.) . Основоположники трибоники. Проблемы трения и смазки. 1980, Р 4, с. 1-7.

59. Андритсос (йпсСг/Ьзод Р. £ > ) , Димарагонас (Ю/тсс Ьо

60. Нелинейные функции вкладышей для статического анализа подшипников с самоустанавливающимися вкладышами. -Проблемы трения и смазки, 1980, № 4„с. 39-47.

61. Косенков В.М. Метод расчета опор с газовой смазкой судовых машин и механизмов. Автореферат кандидатской диссертации. Николаев, 1983, 20с.

62. Айзерман М.А., Смирнова И.М. О применении метода малого параметра для исследования периодических режимов в системах автоматического регулирования. Сб. Памяти Андронова, М.: АН СССР, 1955. - 250с.

63. Бутенин Н.В., Неймарк Ю.И., Фуфаев H.A. Введение в теорию нелинейных колебаний. М.: Наука, 1976. сВ4з.

64. Талайкова Н.Б. К вопросу об устойчивости гидрогазодинамических малонагруженных подшипников. Деп. в ВИНИТИ 8.04.821. Р 1662-82 Деп. 8с.

65. Талайкова Н.Б. Использование метода малого параметра при определении областей устойчивости аэродинамического малонагру' женного подшипника. В книге: Тезисы лекций и кратких научных сообщений Всесоюзной школы-семинара, Институт математики

66. АН БССР, Минск, 1982, с. 114 -115.

67. Арефьев Б.А., Талайкова Н.Б. Области устойчивости малонагру-женного аэродинамического подшипника. Известия ВУЗов Приборостроение, 1982, Р 9, с 57 - 66.

68. Арефьев Б.А., Талайкова Н.Б., Заикин К.Н. Условия устойчивости малонагруженного аэродинамического подшипника. Деп. в ВИНИТИ 29.08.83 № 4732-83 Деп. 10 с.

69. Арефьев Б.А., Талайкова Н.Б., Заикин К.Н. Области устойчивости аэродинамического подшипника и методы его коррекции.

70. В книге: Исследование и применение опор скольжения с газовой смазкой. Тезисы докладов Всесоюзного координационного совещания. Винница, 1983, с. 47.

71. Бутенин Н.В. Элементы теории нелинейных колебаний. Л.: Судпромгиз, 1962. 176 с.

72. Pon С.Н-Т- Spcctuxt /?nalysis' oj Gag £>¿aun^ Systemjot Sbxé'fC'ÍQ S~tucüt¿ MeeActn'tccU JecAno-tcw Jnc.ftepovt А /У-7/¿S3j Ъес^ /3641. ШС. as! ¿2>-6m70)t Р /Ш

73. Кугушев В.И., Тихоненкова О.Н. Особенности работы профилированного газодинамического подшипника. Вестник машиностроения, 1983, Р 8, с 23 24.

74. Талайкова Н.Б. Условия устойчивости смазочного слоя газодинамического подшипника с шевронными канавками. Деп. в ВИНИТИ 6.06.84 № 3698 84 Деп. 7 с.

75. Кугушев В.И., Селезнев К.П. Экспериментальное исследование газодинамических подшипников с шевронными канавками. Трение и износ. 1983, № I, с. 62 - 66.

76. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Изд-во иностранной литературы. 1984,- 255с.

77. Талайкова Н.Б., Заикин К.Н. Оптронный датчик радиального перемещения вращающегося вала. Деп. в ВИНИТИ 2.09.82г. ÍM723 82 Деп, 6с.- пч