автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка метода гидродинамического и теплового расчета опор с плавающими невращающимися втулками

РГ6 _ од

Челяоинский государственный технический / о »--мП 'ооо университет

На правах рукописи

Бояриинова Алла Константиновна

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО й ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ОПОР С ПД&ВАВЩЩ НЕВРАШАЮШШЙСЯ В£УЯКШ

Специальность 05.02.02 -"Машшоведение и аетали нанка"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 1993

Работа выполнена на кафедре "Автомобильный тран порт" Челябинского государственного технического ун верситета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Прокопьев В. Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Суркин В. И; . кандидат технических наук, Замятин Н.й.

Ведущее предприятие - Научно-производственное

объединение "Наука", г. йосква.

Защита состоится ,19 мая 1993 года, в 15 часов, заседании специализированного совета К 053.13.02 при Ч лябинском государственном техническом университете.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенк печатью, просим направлять ученому секретарю совета адресу: 454080, г.Челябинск, пр.им.В.И.Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке уни верситета.

Автореферат разослан апреля 1993 р.

Ученый секретарь специализированного л -

совета, кандидат технических наук В.В.1естк

ОШЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТМ

Актуальность темы. Повышение надеж-эсти быстроходных роторных маиин связано главным обра-ом с решением проблемы создания конструкций подщштаико-ых узлов, обеспечивающих виброустойчивость ротороз.

В связи с тенденцией роста частоты вращения роторов онструхции их опор, в качестве которых чаще всего ис-ользувтся подшипники скольжения, совершенствуются в вух направлениях:

профилирования рабочих поверхностей подшипников анавками, т.е. придания им форш, отличающейся от круг-оцшшндрической;

применения в опоре жестких или упругих промекуточ-ых элементов в виде лепестков, вращавшихся и навращав-ихся втулок.

Конструкции подшипников с плавающими невращавщши-я втулками (ППНВ) применяются в турбокомпрессорах (ТКР), ходящих в систему турбонаддува двигателей внутреннего горания. Подшипниковые узлы должны обеспечить устойчн-ое вращение ротора ТКР при частотах 100 ООО об/мин к ыше в условиях напряженных тепловых режимов к слоеного инамкческого нагружения.

Известные методы расчета ППНВ базируется на упро-енных моделях, не учитывающих всв совокупность внешних агрузок, тепловые' явления в сказочных слоях, реальную еокетршз опорного узла и условия подачи смазки,- и по-воляит в лучшем случае лишь качественно оценить работу■ »¿шинников ТКР. Недостаточная разработанность методов идродинамического и теплового расчетов опор с ППНВ прк-оаит к тому, что на стадии проектирования турбокомпрзс-оров. конструктивные параметры подшипниковых уздов выбн-авт без достаточного обоснования. • Процесс их доводки «стягивается и сопровождается длительными эксплуатаци->шшми испытаниями. .

Работа выполнялась по планам научно-исследовательс-;их работ Челябинского государственного технического ниверсктета в соответствии с научно-технической прог-'

рамной "Надежность" на период до 1995 г. , утверждение» 7 мая 1987 г. ГШ СССР и Президиумом АН СССР; комплексной инновационной научно-технической программой "Надеа-ность конструкций" Миннауки РФ на 1992-1995 гг.; общеакадемической программой РАН на 1990-2000 гг. "Повышена* надежности систем "машша-человек-среда", соисполнителе! которых является ЧГТ7.

Цель работы заключается в разработке метода расчета, позволяющего на этапе ' проектирования роторных машин моделировать нелинейные динамические и тепловые процессы в системе "вал-смазочные слои-плавающа* втулка" и на этой основе сокращать затраты времени 5 средств на создание, экспериментальные исследования I доводку конструкций опор с плавающими невраща»цимис? втулками.

Научная новизна диссертаций заключается в тот, что разработанный алгоритм многоуровневой численного интегрирования обобщенного уравнения Рейноль-дса для давлений в сказочных слоях опоры обеспечивав повышенную скорость сходимости итерационных процедур 1 позволяет рассчитывать поле давлений при произвольно) геометрии смазочных слоев и наличии источников смазки ш поверхностях трибосопрякений. В алгоритме теплового расчета , разработанной для опоры с ППЙВ впервые, покимс уравнений теплового баланса используется гидравдическа5 схема, моделирующая подачу смазки, работу радиальных 1 упорных подшипников. Анализ * нелинейной динамики ротор; на опорах с ППНВ базируется на более точных методах гидродинамического и теплового расчетов, полнее учитывавши: вкешше нагрузки на ротор, в том числе вибрацию корпус« ТКР. В параметрических исследованиях изучен весь реализуемый на практике диапазон изменения конструктивных параметров опор, влияющих на их выходные параметры, характеризующие прямо или косвенно виброустойчивость ротора, а также ресурс трибосопряжений.

Практическая.ценность рабо: т ы. Использование - разработанного метода гидродинамического и теплового расчета опор с плававшими невращаю-

аимкся втулками, алгоритмов и программ расчета, рекомендаций по выбору параметров способствует созданию конструкций ТКР с улучшенными характеристиками виброустойчивости ротора, снижает потери на трение и рабочие твм-1ературы в подшипниковых узлах, увеличивает минимальные голвдены слоев смазки и обеспечивает в итоге увеличение ю л го вечности ШШВ. Выполнение разработанным методом шоговариантных расчетов сокращает затраты времени и :редств на проектирование я доводку трибосопрякений роторных машин.

Реализация работы. Разработанный ме-од гидродинамического и теплового расчета опор с плава-щими невращавшимися втулками в виде пакета программ Ротор" применялся для проведения параметрических иссле-ований подшипниковых узлов турбокоипрессоров ТКР-11Ф ао "УРАЛТРАК"), 1КР-7,5 (АО ШАЗ>, питательного насоса й-1500-350-1 (УРМВТЙ). Исследования позволили опреде-дть рациональные диапазоны изменения конструктивных па-гметров опор, сформулировать некоторые рекомендации по )вершенствование конструкций подпшщщкоаых узлов.

Апробация. Результаты диссертации доклады-шись на научно-технической конференции "Повышение -давности и качества-подшипниковых узлов" (Пермь, 1989г.), 1-й Всесоюзной конференции "Математическое моделиро-ние в машиностроении" (Куйбышев, 1990 г.), на семинаре международным участием "Триболог-8М" (Ростов, 1990 г.), 4-м Всесоюзном научно-техническом совещании "Динаника прочность автомобиля" (Москва, 1990 г.), на Всесопзной учно-технической конференции "Надежность надаш, нате-гическое и мазинкое моделирование задач динамики" (Кн-аев, 1991 г.), на Всесоюзной конференции "Математичес-з моделирование в машиностроении" (Самара, 1991 г.), Всесоизной семинаре по методаа реаения задал дияани-опор скольжения (Челябинск, 1989, 1991 гг.), на науч-■техническом семинаре "Динамика, повышение эффектив-" :ти, экономичности и долговечности двигателей" (Санкт-■ербург, 1992 г.), на ежегодных научно-технических '.ференциях Челябинского государственного" технического ' верситета (1989-1992 гг.).

£

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ/

Структура и объем работы. Диссертационная работа с таблицами и рисунками изложена на 189 страницах к состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения на 5 страницах. Библиография содержит 120 наименований трудов отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЕАНЙЕ РАБОТЦ

Во введении обоснована актуальность тены, сформулирована цель работы, ее научная новизна и практическая значимость.

1. СОСТОЯНИЕ ВОЙРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Аналитическому обзору литературы, посвященной исследованиям гидродинамических подшипников с плавающими нев-ращавщинися втулками, предшествует формулировка задачи нелинейной динамики ротора, разработанная автором, с учетом известных моделей опор и некоторых дополнительных факторов.

Система уравнений нелинейной динамики подвижных элементов опорного узла турбокомпрессора (рис.1): плавающей невращающейся втулки и ротора - в неинерционной систем« координат Охуг, связанной с корпусом, представлена в сле-дущен виде:

Здесь - массы втулки ц ротора*, & - частота вра-

щения .ротора; ~ радиус-векторы центров втулки 5

шипа; - реакции внешнего и /внутреннего смазочны:

сдоев; / - реакция штифта на втулку; V,, - внешни« нагрузки на втулку и ротор, вклэтавцие вес ротора к втул-

Рис. 1. Схема опоры с плавающей невращающейся втулкой

д, силы, вызванные статическим дисбалансом ротора,-пере-эсные силы инерции, обусловленные движениями корпуса србокомпрессора.

Расходы смазки й определяли из системы уравнений шорного течения жидкости'-

Тк,9ёХ}=0, (2)

.е Ти Тг, Тп- рабочие температуры а смазочных слоях внеа-х и внутренних опорных поашгаккков и подпятниках; вление подачи смазки.

Исходя из допущения, что все тепло, выделяющееся в азочных слоях, уносится потоком смазки, рабочие темпе-гуры подшипников определяли из уравнений теплового ба-нса:

т„ тг, ои а ' «>

где - температура масла на входе; М-,

мощности тепловыделений и расходы б смазочных слоях.

Реакции смазочных слоев, входящие в правые част! уравнений движения (1), определяли из решения обобщенного уравнения Рейнольдса для давлений & :

в котором <Р - угловая координата; М*С-«СС08(/>-у$£/гд> -толщина смазочного слоя; - коэффициент динамической вязкости; 2 - радиус; СО - частота вращения; - ко-

ордината вдоль оси вращения; t - время; С - радиальный зазор.

Граничные условия на торцах подшипников определяет решением системы уравнений (2). При наличии канавок, соединяющих торцы подшипников, течение смазки в канавках полагалось пуазейлевским и распределение давления в канавках описывалось линейной функцией координаты . Функция считалась периодической;

г) <5)

е на нее накладывалось дополнительное условие

57*? • <б)

исключающее из решения область разрыва смазочной пленки (- давление кавитации).

Подобный способ задания граничных условий обеспечивает возможность численного решения гидродинамической задачи для давлений в смазочных слоях произвольной геометрии е при наличии источников смазки на рабочих поверхностях додишгаиков. Репением поставленной задачи является комплекс выходных параметров, прямо или косвенно характеризующих виброустойчивость опоры и ресурс трибосопряае-ний: траектории вихревых движений центров шша и втулки;

-амплитудно- частотны А спектр колебаний; минимальные значения толщин смазочных. сло«а и максимальные гидродинамические давления в них; статический и динамический коэффициенты передач; температуры смазки и ее расходы; потери модности на трение.

Выполненный в диссертации обзор литературы показал, что разработка математических моделей ППНВ, а также методов и алгоритмов их расчета,.полнее и точнее отражающих конструктивные особенности подшипниковых узлов, считается актуальной научной и практической задачей- Известные расчетные модели поаиипников с плавающими нввращающимися втулками, описанные в работах А.Г.Бургвица, Г.А.Завьялова, А. Л.Тевелева, Домеса» Орката, Роде и других авторов, не позволяет определить весь комплекс перечисленных выходных параметров. Основными проблемами при расчете ППНВ остаются: разработка эффективного численного метода интегрирования обобщённого уравнения Рейнольдса для давлений с. учетом наличия источников сиазни на поверхностях трибо-сопрявений и произвольной геометрии сказочных слоев; выполнение теплового расчета опор этого типа.

Одним из направлений повышения эффективности численного решения краевой задачи о давлении (4,...,6) является использование многоуровневых алгорнтноа, описанных в работах Р.Й.Федоренко, Брандта, В.Н.Прокопьааа, В. Н. Анненкова.

Анализ литература позволил сформулировать следующие задачи исследования:

1. Разработать нетодичаское, алгоритмическое а программное обеспечение решения задач*.

численного многоуровневого интегрирования обобщенно-■о уравнения Рейнольдса для давлений в сказочных слоях;

интегрирования уравнений движения подвижных эленен-■оз опор и амплитудно-частотного анализа их колебаний;

расчета теплового баланса,- расходов смазка и рабочих емператур подштншсо.э.

2. Выполнять параметрические исследования опор тур-окошхрессороз с плавающими нэвращавщшяся втулками.

3. Провести сравнение теоретических и экспериментальных результатов.

4. На основе решения практических задач сформулировать рекомендации по проектирование опор турбокомпрессоров с плавающими невращающимися втулками.

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СМАЗОЧНОГО СЛОЯ ПОДШИПНИКОВ С ПЛАВАВШИМИ НЕВРА1АШИНИСЯ ВТУЛКАМИ

В соответствии с основной идеей многоуровневых методов краевая задача о давлении (4.....6) решалась на серии равномерных по координатам & сеток с последовательно удваивающимся количеством интервалов разбиения. На фиксированной сетке краевая задача (4,...,6) с использованием консервативной разностной схемы заменялась системой линейных алгебраических уравнений относительно сеточной функции давления и решалась итерационным методом Зей-деля. При достижении сходимости по давлению кубической интерполяцией решение переносилось на сетку следующего уровня; построение решения завершалось при выполнении критерия сходимости на самой мелкой из выбранных сеток. Для ускорения сходимости в этот известный алгоритм введена процедура контроля и управления скоростью сходимости итерационного процесса Зейделя. Оказалось, что удобный и надежным критерием оценки скорости сходимости на данном уровне является отношение

ггсх "У/", . т

в котором Л - номер итерации Зейделя, - квадратичные невязки, определенные как суммы квадратов локальных невязок системы сеточных уравнений для давлений.

При замедлении сходимости на данном уровне осуществлялся . переход на сетку предыдущего уровня,' где по известным локальным невязкам рассчитывали поправка к давлению. Затем выполнялся обратный переход на исходный уровень, на' котором с помощью найденных поправок производилась корректировка ре пения.-

Для подтверждения точности приближения сеточного ре-иения к решении краевой задачи о давлении (4.....6) проведено численное определение порядка сходимости расчетной схемы. На основании расчетов большого числа тестовых вариантов подшипников с различной геометрией рабочих поверхностей показано, что средняя величина расчетного порядка сходимости Я - 1,8 и достаточно близка к теоретически возножному пределу : 2), равному порядку аппроксимации дифференциального оператора краевой задачи разностным.

Детально разработанный алгоритм многоуровневого метода с циклическим взаимодействием между уровнями обеспечил снияение затрат времени на расчет реакций смазочных слоев в сотни раз по сравнению с традиционными одноуровневыми и в 1,5...2 раза по сравнению с многоуровневыми, не использующими взаимодействие мекду уровнями. Высокая эффективность метода дала возможность ставить и решать задачи нелинейной динамики ротора на опорах с плававшими невращающимися втулками при произвольной геометрии смазочных слоев и наличии источников смазки на рабочих поверхностях трибосопряжений.

На основе рассмотрения течения сказки в каждом из слоев и использования закона Ньютона для касательных напряжений в движущейся жидкости получено уточненное выражение для моментов сил вязкого трения, действующих на рабочих поверхностях вала и втулки,

Здесь в - протяженность смазочного слоя в осевом направлении (ширина подиипника); Х-ё/С - эксцентриситет;

- смещение центра шипа или втулки; - про-

екция реакции смазочного слоя на нормаль к линии центров. Во втором слагаемом знаки плюс и минус относятся соответственно к внутренней и внеиней поверхностям втулки.

Численными экспериментами показано, что наиболее существенный вклад в Мтр вносят первые два слагаемых. Пренебрежение вторым слагаемым, часто допускаемое из-за его малости, может привести к погрешностям при вычислении моментов в сотни процентов.

3. НЕЛИНЕЙНАЯ ЗАДАЧА ДИНАМИКИ РОТОРА НА ОПОРАХ С ПЛАВАЮЩИМИ НЕВРАЩШИШ1СЯ ВТУЛКАМИ

Математическая модель двивения подвижных элементов опоры (1) учитывает произвольный характер внешних силовых воздействий, в том числе колебаний корпуса турбокомпрессора. Расчет параметров нелинейных колебаний ротора и плавающей невращающейся втулкк базировался на численном интегрировании уравнений Ш методом Кутта-Мерсона с шагом интегрирования, адаптирующимся к решению.

На основе нноговарнантных расчетов опор турбокомпрессоров с ШШВ предложена классификация различных форм траекторий центров вила и плавающей невращающейся втулки: траектории, сходящиеся в точку или к предельному циклу; незамкнутые траектории, располагающиеся в некоторой замкнутой области; расходящиеся (рис.2).

Рес.2. Траектории центров пипа а втулки

В общей случае амплитуды А колебаний центров вмпа н втулки определялись через размеры области, ограничивающей их движения.

Л - (Яшзг ' <%т£л)% ¿(у™* (9 >'

гдъ ¿//юзг^тд- экстремальные координаты мно-

жества точек траектории.

Кроме определения амплитуд колебаний и форм траекторий центров подвижных элементов, предусмотрено проведение Фурье-анализа установившегося движения с цель» нахождения амплитуд и частот ¿Ор спектра колебаний.

Задача нелинейной динамики ротора и втулки решалась совместно с гидравлическим и тепловым расчетами подшипникового узла. Течение" смазки в каналах и щелевых зазорах рассматривалось как пуазейлевское, ламинарное и изотермическое, теплообмен с твердыми прверхностями не учитывался.

При рассчитанных положениях подвижных элементов и рабочих температур в смазочных слоях определяли (см.рис..П коэффициенты гидравлических сопротивлений: - вход-

ного рестриктора; - в зазоре между штифтом и втулкой;

S¿,S¿ - внутренних радиальных подшипников, профилированных канавками прямоугольного сечения; - внешних подшипников; б а - подпятников. Соответствующие расходы смазки через элементы опоры находили из решения системы линейных алгебраических уравнений (2). По известным температуре масла м входе, мощностям тепловыделений в смазочных слоях, величинам расходов смазки через элементы. опоры из уравнений теплового баланса рассчитывали приращения температуры и, следовательно, рабочие температуры радиальных подшипников и подпятников, а также соответствующие этим температурам коэффициенты динамической вязкости ¿и (Т) . Последние использовали при гидродинамическом расчете полей давления в слоях смазки.

4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПОР С ПЛАВАЮЩИМИ НЕВРАШАЮШИМИСЯ ВТУЛКАМИ, СРАВНЕНИЕ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

На основе методического, алгоритмического и программного обеспечения гидродинамического и теплового расчетов опорных узлов с плавающими невраиашимися втулками разработан пакет прикладных програнн "Ротор", предназначенный

для реоения широкого круга задач нелинейной динамики роторов. Пакет включает в себя набор программ и баз данны: ряда турбокомпрессоров и позволяет при произвольных вида; нагружения с. учетом конструктивных особенностей систем! "ротор-подшипники" рассчитывать комплекс выходных параметров. ,

В диссертации представлены результаты многовариантных расчетов опорного узла Турбокомпрессора ТКР-11Ф. Диапазоны измерения варьируемых входных параметров назначались исходя из возможностей их реализации на практике.

Методика . проведения численного исследования предусматривала:

1) сравнение результатов решения задач с учетом 1 без учета тепловыделений.

2) сравнение выходных параметров опор ротора на ГШН1 и на обычных подшипниках.

3) изучение взаимосвязи входных и выходных параметров опор ротора с профилированными и гладкими втулками.

Анализ результатов расчета опор без учета тепловыделений в смазочных слоях и разработанным методом показал что игнорирование тепловых явлений в опорном узле ТК! приводит к псгреиностям определения критической скорости потери устойчивости положения равновесия и амплитуд колебаний подвижных элементов опоры в сотни процентов. Использование П1ШВ по сравнению с опорами без промежуточны: элементов снижает потери мощности на трение в 1,5...2 раза, амплитуды колебаний ротора - в 2...3 раза при значительном увеличении минимальных толщин смазочной пленки (в 3...4 раза).

Ротор на ППНВ обладает свойством самоцентрирования: после прохождения области резонанса и дальнейшем увеличении частоты вращения амплитуды колебаний снижаются и стабилизируются. Наиболее существенное влияние на выходные параметры опоры оказывают изменение частоты вращения ротора, соотношения зазоров и осевых протяженностей смазочных слоев радиальных подшипников, отношение массы втулк'] к кассе ротора, параметры профилирования внутренней поверхности втулки, температура масла на входе, диаметры

цапф ротора. При определенных отношениях внешнего радиального зазора ¿V к внутреннему , а также внесшей протяженности смазочного слоя вг к внутренней обеспечивается снижение амплитуд колебаний подвижных элементов, потерь мощности на трение, рабочих температур и повышение минимальных толщин смазочных пленок. Для опорного узла ТКР-ИФ рекомендованы отношения: в диапазоне

1,5,. ..,2; 81/вг - 1,6,... ,2,5.; При увеличении отношения массы втулки Л? г к массе ротора' Мг свойства опоры с ППНВ начинает приблиааться к свойствам опоры с запрессованной втулкой, поэтому отноиенке пТ(//тгг нецелесообразно увеличивать выше некоторого порогового значения. Для ТКР-11Ф пороговое отношение ¡т^/^г- 0,24. Подача в подшипниковый узел сказки с "низкой" или слшкои "высокой" температурой ведет к росту амплитуд колебаний подвижных элементов.

Расчеты опор с плавающими втулками, профилированными смазочными канавками, показали, что профилирование слабо влияет на динамические характеристика системы "ротор-плавающая ' невращаюиаяся втулка" и значительно - на рабочие температуры смазочных слоев и расхода смазки. Для ТКР-11Ф профилирование зтулки тремя канавками снижает по сравнению с непрофилированными втулками рабочие температуры в смазочных слоях на Ю...15еС-

'Ддя подтверждения обоснованности предлагаемого метода расчета опор ППНВ и достоверности полученных результатов параметрического исследования проведено сравнение теоретических зависимостей с экспериментальными данными, полученными на заводах-изготовителях ТКР.

Расчетом подтверждены полученные Б.Ф.Лякцевнм для ТКР-11 (ЯМЗ) экспериментальные зависимости амплитуд колебаний ротора от изменения внутреннего и внешнего*?/ зазоров з подшипниках (рис.З а). Согласуются расчетные я полученные й. П. Богодяаом с соавторами (АО "УРАЛТРАК") зависимости амплитуд колебаний ротора ТКР-11 от частоты его вращения (рис.З б). В опоре устанавливалась бронзовая втулка, профилированная 4-ая канавками.

Полученные в научно-технической центре КАМАЗ для опоры ТКР-7,5 экспериментальные зависимости расхода смазки О (к)) и ее температуры на сливе согласуют-

ся с точность© 9% по расходам и 4% по температурам с результатами численного эксперимента (рис.3 в,г).

4

0,4 О

ыг»

кг/в №5

ш

а)

зо то с, мы ё)

г

"7

г

0,1 о

Тел, "С

б)

2000 б ООО Цра?/е

г)

О

ж ?т зт ?т

Рис.3. Сравнение расчетных СП и экспериментальных (2) данных.

А - безразмерная аышштуда

Разработааннё метод» гидродинамического и теплового расчетов опор с плавающими невращатшмкся 'втулками, реализованный в"пакете прикладных программ "Ротор", применялся-для решения'практических задач по заказан АО "УРАЯТРАК",

АО "КАМАЗ", УРАЛВТИ (опоры ротора турбокомпрессоров ТКР-11Ф, ТКР-7,5, питательного насоса ПН-1500-350-1). Для АО "УРАЛТРАК" проведены обширные параметрические многовариантные расчеты опорного узла ТКР-11. Исследовано влияние практически всех входных параметров, выработаны рекомендации по проектированию опор с повышенной виброустойчивостью и меньшими потерями мощности на трение.

Аналогичные исследования выполнены для опорного узла ТКР-7,5 (АО "КАМАЗ"). Для снижения потерь мощности на трение в опорном узле и амплитуд колебаний ротора в 1,5...2 раза предложено изменить соотношения зазоров и осевых протяженностей смазочных слоев. Рекомендации приняты к внедрению.

В результате выполнения совместных работ с УРАЛВТИ (НТ11 "Эксперт") по снижению уровня1 вибрации в опорах питательного насоса ПН-1500-350-1 предложена конструкция опоры с промежуточной плавающей невращавщейся втулкой. Использование рекомендаций по выбору ее массы, а также конструктивных параметров, обеспечивающих требуемые жесткость и демпфирование смазочных слоев, позволили снизить уровень вибрации до допустимых пределов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ й ВЫВОДЫ

На основе гидродинамической теории смазки опор скольжения с промежуточными элементами разработан метод гидродинамического и теплового расчетов опор с плавающими нев-ращающимися втулками, его алгоритмическое й программное обеспечения. Метод позволяет с малыми затратами времени и средств анализировать влияние на нелинейные процессы в системе "ротор-подаипники" конструктивных и эксплуатационных факторов. Применение предложенного метода теплового и гидродинамического расчетов при проектировании роторных машин обеспечивает за счет выбора рациональных конструктивных параметров опор с плавающими невращающимися втулками снижение потерь на трение, повышение виброустойчивости и износостойкости трибосопряжений.

Основные итоги'работы сводятся к следующему:

1. При интегрировании уравнения Рейнольдса для гидродинамических давлений детально исследован и реализован многоуровневый алгоритм, пренусметривавций взаимодействие между уровнями. Высокая эффективность алгоритма обеспечила снижение затрат времени на расчет реакций смазочных слоев в сотни раз и дала возможность ставить и решать задачи нелинейной динамики ротора на опорах с плававшими невр'ащаюдимися втулками при произвольной геометрии смазочных слоев и наличии источников смазки на рабочих поверхностях трибосопряжений. Из-за несовершенства известных алгоритмов и больших затрат времени решение таких задач лежало за пределами возможностей современных ЭВМ.

2. В разработанном методе расчета параметров нелинейных колебаний ротора и промежуточного элемента, базирующемся на численном интегрировании уравнений движения, учитывается произвольный характер внешних силовых и кинематических воздействий, в том числе колебаний корпуса турбокомпрессора. Предложены классификация возможных видов траекторий центров ротора и втулки, метод построения областей, ограничивающих траектории, с последующим.проведением амплитудно-частотного анализа перемещений.

3. В алгоритме теплового расчета, разработанном для гидродинамических опор с ППНВ, впервые, помимо уравнений теплового баланса, являющегося исходным при определении температур смазочных слоев, моделируются конструктивные особенности опор представлением рестрикторов, канавок, щелевых зазоров, радиальных и упорных подщипников и др. системой гидравлических сопротивлений. Моделирование позволяет определять общий расход смазки через всю систему и через каждый ее элемент, учитывать влияние параметров подаваемой смазки.

4. На основе методического, алгоритмического и программного обеспечений гидродинамического и теплового расчетов опор с плавающими невращающимися втулками разработан пакет прикладных программ "Ротор" для решения широкого круга задач нелинейной динамики роторов. Пакет включает в себя набор программ и баз данных ряда турбокомп-

рессоров и позволяет при произвольных видах нагружения с учетом конструктивных особенностей системы "ротор-подшипники" рассчитывать комплекс выходных параметров: траектории двилзния центров ротора и втулки, амплитудно-частотный спектр их колебаний, гидродинамические давления в смазочных слоях и их толщины, коэффициенты передач, потери мощности на трение, рабочие температуры, расходы смазки. Эти параметры непосредственно или косвенно характери-зувт виброустойчивость ротора и ресурс трибосопряжений.

5. На примере расчета нескольких .типов ТКР показана возможность выбора рациональных конструктивных параметров трибосопряжений. Установлено, что по сравнении с обычными подшипниками применение плававших неврашающихся втулок расширяет область работоспособности опор роторов турбокомпрессоров в несколько раз. Параиетрическики исследованиями подтверждены некоторые из известных экспериментальных результатов, установлены принципиальные . взаимосвязи входных и выходных параметров. В частности, главным фактором, влиявшим на все выхошше параметры и, особенно, на виброустойчивость опор является частота вращения ротора. На температуру, минимальные толпсша .смазочных слоев, максимальные гидродинамические давления наибольшее влияние оказывает конструктивные особенности опоры: величину, и соотношения внешнего а внутреннего зазоров, профилирование рабочих поверхностей втулки, ее масса.

6. Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение теплового и гидродинамического расчетов опор турбокомпрессоров с плавающими невращавщишея втулками в виде пакета прикладных программ "Ротор" внедсено на предприятиях АО "УРШРАГ, АО "КАМАЗ", УРАЛВТй: Расчеты, проведенные для АО "УРАЛТРАК", подтвердили перспективность, использования ППНВ в опорных узлах турбокомпрессоров тракторных двигателей. Для конкретных, конструкций турбокомпрессоров рекомендованы рациональные диапазоны конструктивных параметров опор роторов.

Внедрение рекомендаций по изменению величин зазоров в опорах ротора ТКР-7,Б (АО "КАМАЗ") подтвердило возможность снижения потерь мощности на трание в подшипниках в

два раза с одновременным повышением виброустойчивости ротора.

Для УРА.ДВТИ сформулированы рекомендации по использованию в насосе Ий-1500-350-1 опор с промежуточными элементами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бояршинова А. К. Влияние эффекта профилирования поверхности плавающей, втулки на динамические характеристики гидродинамических опор с промежуточными элементами // Контактная гидродинамика: Тезисы докладов 5-й Всесоюзной конференции.- Самара'- КУАЙ, 1991.- С.69.

2. Бояршинова А. К., Смирнов В.В. Тепловой и гидродинамический расчет подшипников с подвижными втулками в задаче нелинейной динамики ротора турбокомпрессора//Математическое моделирование в машиностроении: Тр. 1-й Всесоюзной конференции.- Куйбышев: КУАЙ, 1990.-С.34-35.

3. Бояршинова А. К., Смирнов В.В. Динамика ротора турбокомпрессора на подЕштихах с подвижными элементами// Динамика и прочность автомобиле Тр. 4-го Всесоюзного совещания.- К.: НАШ, 1990.-С. 43.

4. Бояршинова А.К., Смирнов В.В. Оптимизация опор скольжения с подвижными втулками// Оптимизация эксплуатационных свойств опор скольжения.- Тр. школы-семинара "Триболог-бМ" с международным участием.- Ярославль: ЯПЙ, 1990.-С.28-31.

5. Бояршинова А. К., Смирнов В.В. Нелинейная динамика ротора на подшипниках с подвижными втулками// Исследование силовых установок и шасси транспортных и тяговых машин: Темат. сб. научн.тр.- Челябинск: ЧГТУ, 1991.-С.88-93.

8. Бояршинова А.К. Нелинейный анализ динамики ротора турбокомпрессора в подшипниках с подвижными втулками// Техническая эксплуатация, надежность и совершенствование автомобилей.- Челябинск: ЧПй, 1990.-С.46-53.

7. Бояршинова А. К. , Смирнов В.В. Моделирование динамики к изнашивания подаишшковых узлов с плавающими втулками роторов турбомашш.// Надежность машин, матема-