автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение уравновешенности высокоскоростных роторов с магнитными подшипниками на основе компенсационного метода сборки

На правах рукописи

КОВАЛЕВ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УРАВНОВЕШЕННОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ РОТОРОВ С МАГНИТНЫМИ ПОДШИПНИКАМИ НА ОСНОВЕ КОМПЕНСАЦИОННОГО МЕТОДА СБОРКИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

25

¿013

005531702

Рыбинск - 2013

005531702

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

Научный руководитель:

Макаров Владимир Федорович, доктор технических наук, профессор. Официальные оппоненты:

Непомилуев Валерий Васильевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева», профессор кафедры «Организация производства и управление качеством»;

Польский Евгений Александрович, кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Технология машиностроения».

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет», Уфа.

Защита диссертации состоится 11.09. 2013 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева».

Автореферат разослан 15.07.2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Высокоскоростные роторы с магнитными подшипниками находят все более широкое применение в различных областях машиностроения, в том числе и в компрессоростроении. Это объясняется их существенными преимуществами по сравнению с роторами с традиционными подшипниками качения и скольжения. Благодаря отсутствию механического контакта между подвижной и неподвижной частями машины исключается изнашивание в узле ротора, не требуется система смазки, обеспечиваются высокие скорости вращения и низкое энергопотребление, возможна работа в экстремальных условиях. Благодаря наличию электронной системы управления магнитным подвесом обеспечивается контроль положения оси ротора, регулировка жесткости и демпфирования подвеса, контроль параметров рабочего процесса.

Ротор компрессора, являясь наиболее напряженным узлом, определяет уровень надежности и долговечности машины. В свою очередь подшипниковые узлы определяют эксплуатационную надежность роторов с магнитными подшипниками. Ресурс роторов с магнитными подшипниками определяется временем до возникновения сверхнормативного уровня эксплуатационных дисбалансов. При достижении их критического значения ротор выходит из строя. Одним из основных факторов, приводящих к повышению уровня эксплуатационных дисбалансов ротора, является его недостаточная уравновешенность, обусловленная, в том числе, несовершенством технологических процессов сборки. Высоко нагруженные удлиненные роторы подвергаются также модальным изгибам, которые можно устранить только на высокочастотном дорогостоящем балансировочном оборудовании. Однако эксплуатация такого оборудования сопряжена с повышенной трудоемкостью и стоимостью соответствующей технологии.

В настоящее время отсутствуют научные разработки, обеспечивающие многоплоскостное уравновешивание роторов с магнитными подшипниками на доступном низкочастотном оборудовании. Отсутствуют научно обоснованные технологические рекомендации для обеспечения требуемого уровня уравновешенности роторов с магнитными подшипниками в процессе их сборки.

Таким образом, разработка технологического обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками центробежных компрессоров на этапе их сборки, позволяющего повысить эксплуатационную надежность и ресурс компрессоров и снизить трудоемкость и стоимость сборки их роторов, является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка технологического обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками центробежных компрессоров на основе компенсации локальных дисбапан-

сов вала и технологических дисбалансов ротора заданными дисбалансами насадных элементов в процессе сборки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1 В результате системного анализа научных исследований и существующего опыта в области технологического обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками разработать пути решения выявленных проблем.

2 Рассмотреть механизм снижения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками на этапе сборки и монтажа и теоретически обосновать возможность многоплоскостного уравновешивания роторов с магнитными подшипниками на основе компенсации технологических дисбалансов заданными дисбалансами насадных элементов.

3 Разработать математическую модель, устанавливающую теоретическую взаимосвязь между локальными дисбалансами вала, насадных элементов и технологическими дисбалансами роторов с магнитными подшипниками.

4 Разработать математическую модель и алгоритм компенсационного метода сборки, позволяющие управлять процессом обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками. Разработать программу расчета параметров сборки.

5 Разработать методику проведения экспериментального исследования динамического состояния роторов с магнитными подшипниками.

6 Провести сравнительные экспериментальные исследования динамического состояния роторов с магнитными подшипниками, собранных по типовому технологическому процессу и по технологическому процессу, основанному на применении разработанного метода Провести анализ результатов экспериментального исследования.

7 Разработать технологические рекомендации по обеспечению уравновешенности роторов с магнитными подшипниками в технологических процессах сборки, основанных на применении разработанного метода.

Методы исследования. Диссертационное исследование выполнено с использованием научных основ технологии машиностроения, теории сборки, математической статистики, математического моделирования, экспериментального сравнительного исследования. Математическое моделирование напряжений и перемещений роторов и их элементов осуществлено в аттестованном программном пакете «АК'БУЗ». Сравнительные экспериментальные исследования совмещены с натурными испытаниями компрессоров, произведенных НПО «Искра».

Достоверность и обоснованность научных результатов. Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждается корректным использованием математического аппарата, согласованностью результатов теоре-

тических исследований и сравнительных экспериментальных исследований динамического состояния роторов с магнитными подшипниками.

Положения, выносимые на защиту.

1 Результаты теоретических исследований и разработанная математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между локальными дисбалансами вала, насадных элементов и технологическими дисбалансами роторов с магнитными подшипниками.

2 Математическая модель и алгоритм компенсационного метода сборки, позволяющие управлять уравновешенностью роторов с магнитными подшипниками.

3 Результаты сравнительного экспериментального исследования динамического состояния роторов с магнитными подшипниками, собранных по типовому технологическому процессу и по технологическому процессу, основанному на применении разработанного метода.

Научная новизна.

1 Разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между локальными дисбалансами вала, насадных элементов и технологическими дисбалансами роторов с магнитными подшипниками.

2 Разработана математическая модель и алгоритм компенсационного метода сборки, позволяющие управлять уравновешенностью ротора на основе установленной взаимосвязи.

3 Разработан метод сборки, обеспечивающий уравновешенность роторов на основе компенсации локальных дисбалансов вала и технологических дисбалансов ротора, заданными дисбалансами насадных элементов (новизна технических решений подтверждена патентами РФ №2426014,2449180).

Практическая ценность. По результатам исследования разработаны научно обоснованные технологические рекомендации по проектированию технологических процессов сборки роторов с магнитными подшипниками, обеспечивающие их уравновешенность. Разработаны математическая модель, алгоритм и программное обеспечение для управления процессом обеспечения уравновешенности роторов в процессе сборки.

Праетическая реализация. В результате проведения натурных испытаний разработанного метода в производственных условиях ОАО НПО «Искра» получено экспериментальное подтверждение возможности обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками на основе применения разработанного метода сборки.

Разработанные рекомендации по практическому применению результатов проведенного исследования внедрены в производственный процесс ОАО НПО «Искра» и в учебный процесс кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ. Внедрение результатов исследования в производственный

процесс обеспечило наибольшее снижение общего уровня виброперемещений опор роторов с магнитными подшипниками в 3,0 раза, наибольшее снижение размаха виброперемещений опор роторов с магнитными подшипниками в 3,9 раза.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования доложены и обсуждены на 10 международных, всероссийских и межвузовских конференциях: НТК молодых специалистов НПО «Искра», Пермь (2009, 2010); ЬУП НТС РАН по проблемам газовых турбин, Уфа (2010); В НТК «Новые материалы и технологии», МАТИ, Москва (2010); I МНПК «Молодые ученые Прикамья - 2011», ПНИПУ, Пермь (2011); XVIII МНТК «Машиностроение и техносфера XXI века», ДонНТУ, Севастополь (2011); IV ВК молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва (2011); ВНТК в рамках Инновационно-промышленного салона и специализированной выставки ПРОМЭКСПО-2013, УГАТУ, Уфа (2013). Результаты исследования представлены на 10 международной выставке «Станки. Приборы. Инструмент», Пермь (2011). Получено 4 диплома на конференциях и выставках. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на заседании кафедр ИТМ ПНИПУ и ТАДиОМ РГАТУ.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 20 печатных работах, в том числе в 8 изданиях, рекомендованных ВАК, получено 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников из 90 наименований и 2 приложений. Работа включает 145 страниц машинописного текста, содержит 60 рисунков и 20 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе проведен анализ опубликованных работ и опыта предприятий по теме диссертации. По результатам проведенного анализа можно заключить, что в настоящее время, несмотря на достаточно высокий уровень конструктивных разработок, применение роторов с магнитными подшипниками в области компрессоростроения для газоперекачивающих агрегатов ограничено в связи с их недостаточной уравновешенностью, которая обусловлена, в том числе, несовершенством технологических процессов сборки.

Вопросам разработки технологических процессов сборки посвящены работы отечественных ученых: А. М. Дальского, Б. С. Балакшина, Б. М. Базрова,

B. Ф. Безъязычного, В. В. Непомилуева, Е. А. Польского, А. Н. Семенова,

C. М. Белобородова и других.

Решению вопросов уравновешенности роторов и валопроводов посвящено множество работ отечественных и зарубежных ученых: Ф. М. Диментберга, К. Т. Шагалова, А. Мельдаля, Е. В. Урьева, Н. В. Корнеева и других.

Исследованиям в области применения электромагнитных подшипников роторов посвящены работы отечественных ученых: Ю. Н. Журавлева, В. С. Во-ронкова, Ю. Д. Вышкова, В. Б. Метлина, Г. Швайцера и других.

В результате проведенного анализа установлено, что большинство высокоскоростных роторов с магнитными подшипниками являются гибкими и достигают длины 4 метров при массе до 2,5 тонн и могут содержать до 12 рабочих колес диаметром до 850 мм. Их производство сопровождается снижением уровня уравновешенности в силу ряда объективных причин.

Уравновешивание рабочих колес ротора проводится без учета эксцентриситета посадочной поверхности оправки, а сами колеса рассматриваются как жесткие, не принимается во внимание их динамический изгиб, обусловленный дисбалансами дисков основного и покрывного. Установка рабочих колес на вал ротора производится без учета эксцентриситета их внешних образующих относительно сопрягаемых поверхностей. Все роторы с магнитными подшипниками в силу конструктивных особенностей имеют различные технологические и конструкторские базовые поверхности, что обуславливает погрешность монтажа ротора в компрессор и, следовательно, снижение его уравновешенности. При уравновешивании ротора не учитывается влияние внешнего дисбалансирующего воздействия. В результате, ротор приобретает сложную систему локальных дисбалансов (рис. 1).

Обозначенные производственные проблемы обусловлены недостаточной теоретической проработкой ряда вопросов в области сборки роторов с магнитными подшипниками. На сегодняшний день недостаточно изучены взаимосвязи между погрешностями сборки и монтажа роторов с магнитными подшипниками и локальными дисбалансами как всего ротора, так и его элементов. Отсутствуют

роторов с магнитными подшипниками: и <, I, иы, и с 1 - дисбалансы участка, диска основного и покрывного, обусловленные их эксцентриситетами относительно балансировочных поверхностей; IIог, иы, иС2 - дисбалансы участка, диска основного и покрывного, обусловленные их эксцентриситетами относительно рабочих поверхностей; 1Гы, исз - остаточные дисбалансы диска основного и покрывно-

научно обоснованные методики, обеспечивающие уравновешенность роторов с магнитными подшипниками в процессе их сборки и монтажа.

Белобородовым С. М. обозначено направление минимизации прироста дисбалансов роторов в процессе их сборки. Однако применительно к роторам с магнитными подшипниками неисследованным остался вопрос компенсации локальных дисбалансов вала заданными дисбалансами насадных элементов.

Таким образом, задача обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками при минимальных затратах труда и времени может быть решена в теоретическом и практическом плане разработкой технологического обеспечения, позволяющего компенсировать множество технологических дисбалансов роторов с магнитными подшипниками в процессе сборки.

Во второй главе разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между локальными дисбалансами вала, насадных элементов и технологическими дисбалансами роторов с магнитными подшипниками. Разработана математическая модель и алгоритм компенсационного метода сборки, позволяющие управлять уравновешенностью ротора на основе установленной взаимосвязи. Разработан метод сборки, обеспечивающий уравновешенность роторов на основе компенсации локальных дисбалансов вала и технологических дисбалансов ротора, заданными дисбалансами насадных элементов (новизна технических решений подтверждена патентами РФ №2426014,2449180).

Для решения перечисленных в первой главе задач сформулирована следующая рабочая гипотеза: уравновешенность роторов с магнитными подшипниками центробежного компрессора может быть обеспечена в ходе технологического процесса сборки за счет многоплоскостного уравновешивания ротора на основе описания и компенсации мнржества локальных дисбалансов заданными дисбалансами насадных элементов при обеспечении минимизации эксцентриситетов внешней образующей элементов и внешнего дисбалансирующего воздействия со стороны привода.

Множество распределенных по длине локальных дисбалансов роторов с магнитными подшипниками (см. рис. 1) можно описать по результатам измерения эксцентриситетов цилиндрических поверхностей вала, насадных элементов и балансировочной оправки, атак же на основании измерения остаточных дисбалансов насадных элементов. Для описания локальных дисбалансов разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между локальными дисбалансами вала, насадных элементов и технологическими дисбалансами роторов с магнитными подшипниками, которая выражается векторным уравнением:

где и к -технологический локальный дисбаланс ротора с магнитными подшипниками; Е, - эксцентриситет массы участка вала относительно рабочей оси ро-

(1)

тора; «/ — масса участка вала; £У |, £/2 - эксцентриситеты установки элемента в плоскостях размещения центров масс дисков основного и покрывного; Ер, Е% - остаточные эксцентриситеты масс дисков основного и покрывного; т]1, 2 - массы дисков основного и покрывного.

Для компенсации множества локальных дисбалансов роторов с магнитными подшипниками заданными дисбалансами насадных элементов при обеспечении минимизации эксцентриситетов внешней образующей элементов и внешнего дисбалансирующего воздействия со стороны привода разработана математическая модель компенсационного метода сборки, которая выражается системой векторных уравнений:

йа\ + й= 0; иА2+ивг=0\ ...; им + Ь'т= 0

• ва\ + Е\ = 0; ел + Ег = 0; ...; + = 0 , (2)

йгл = 0: йкг = 0; ...: й№ = 0

где и лк - к-й локальный дисбаланс ротора с магнитными подшипниками; инк - А-й заданный дисбаланс элемента ротора; к - количество локальных дисбалансов ротора, которые компенсируются заданными дисбалансами насадных элементов; Ей; - эксцентриситет внешней образующей у-го элемента; - собственный эксцентриситет диска основного; Е, - эксцентриситет оси посадочной поверхности участка вала относительно рабочей оси ротора; О'еь - локальный дисбаланс ротора, обусловленный внешним дисбалансирующим воздействием со стороны привода.

Сформулированная рабочая гипотеза обеспечения уравновешенности ро-

торов с магнитными подшипниками реализуется в технологическом процессе сборки решением трех частных задач (рис. 2).

Рисунок- 2 - Алгоритм реализации рабочей гипотезы в технологическом процессе сборки роторов с магнитными подшипниками

Технологическая подготовка вала ротора к сборке предусматривает предварительное измерение эксцентриситетов цилиндрических участков вала, расчет параметров сборки и многоплоскостное уравновешивание вала.

Технологическая подготовка элемента ротора к сборке предусматривает измерение эксцентриситетов балансировочной оправки и образующей элементов, расчет параметров сборки, двухплоскостное уравновешивание нежестких элементов.

Компенсационная сборка ротора предусматривает установку элементов на вал с предустановленными сборочными параметрами, обеспечивающими многоплоскостное уравновешивание ротора.

Достоверность разработанных математических моделей проверена в ходе сравнительного экспериментального исследования динамического состояния роторов с магнитными подшипниками, собранных по типовому технологическому процессу и по технологическому процессу, основанному на применении

разработанного метода.

В третьей главе разработана методика экспериментального исследования динамического состояния роторов с магнитными подшипниками, позволяющая подтвердить достоверность теоретических предпосылок. Объектами исследования являлись компрессоры производства НПО «Искра» серии НЦ12М/76-02, проходившие приемо-сдаточные натурные испытания в соответствии с программой и методикой, разработанной применительно к данной модели компрессора. Предметом исследования являлось динамическое состояние роторов. Оценка динамического состояния проводилась по уровням виброперемещений передней и задней опоры роторов в двух взаимноперпендикулярных направлениях (X, У).

Роторы №1, 2 сбалансированы по типовой технологии, а роторы №3, 4 сбалансированы по предлагаемой технологии. Балансировка валов, колес и роторов выполнялась на аттестованном станке 8СНЕКСК модель ЯМНР0323 тип. НМ 40 II. Исследование динамического состояния роторов проводилось на специальном стенде приемо-сдаточных испытаний компрессоров НПО «Искра».

Измерение и фиксация уровней виброперемещений осуществлялось с использованием аппаратуры контроля относительных перемещений М1С-300 с фиксацией и обработкой результатов на ЭВМ.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования, проведенного в соответствии с вышеизложенной методикой. По измеренным точкам виброперемещений, отражающим изменение динамического состояния роторов в зависимости от частоты вращения, построены кривые с аппроксимацией в системе «КОМПАС-ЗО У9». В результате экспериментального исследования динамического состояния роторов установлено, что кривые, отражающие виброперемещение передней опоры роторов 1 и 2, собранных по ти-

повому технологическому процессу, характеризуются значительным разбросом, резкими скачками (рис. 3). Характер каждой кривой индивидуален. Динамическое состояние роторов в области передней опоры следует считал, нестабильным и неустойчивым с резким проявлением первой критической скорости вращения. Кривые, отражающие виброперемещение передней опоры роторов 3 и 4, собранных по предлагаемому технологическому процессу, характеризуются компактным размещением, плавным изменением и стабильным состоянием во всем частотном диапазоне, особенно в рабочем диапазоне. Характер кривых повторяется. Динамическое состояние роторов в области передней опоры следует считать стабильным и устойчивым с незначительным проявлением первой критической скорости вращения. При этом обеспечено снижение общего уровня виброперемещений передней опоры ротора при прохождении первой критической скорости вращения по оси X в 1,8 раза, по оси Г в 1,9 раза, обеспечено снижение размаха виброперемещений передней опоры ротора по оси X в 1,7... 3,8 раза, по оси У в 1,7... 3,9 раза.

140 120 100 80 60 40 20 0

п

\

у V

/

/

/ »

/-* N 1

-1 / N /

[/ Ч

0

12 3 4 Частота п*10

5 6

-I

, мин

к я

о

3

<о 2 о о. о

к о о. ю

(3

140 120 100

80 60 40 20 0

2

✓

у

\

г /

1 /

\ /

\

\ N /

I- ч

: |

1

0 1 2 3 4 5 6 Частота п»10"\ мин"' б

2

Р. £ О

а

О)

3

о 2 и а. и

о а, 10

¿3

140 120 100 80 60 40 20 0

0 1

2 3 4 Частота п*10'3

в

5 6

-I

мин

ю

¡3

140 120 100 80 60 40 20 0

—4

'ч

' 'V

/

Т— !

1

1 2 3 4 5 Частота п*Ю~3, мин г

Рисунок 3 - Виброперемещения передней опоры роторов, собранных по типовому (а, б) и предлагаемому (в, г) технологическому процессу в направлении осей X (а, в) и У (б, г); 1, 2,3,4 - номера компрессоров

Результаты экспериментального исследования по задней опоре роторов аналогичные (рис. 4). При этом обеспечено снижение общего уровня виброперемещений задней опоры ротора при прохождении первой критической скорости вращения по оси Хв 3,0 раза, по оси У в 3,4 раза, обеспечено снижение размаха виброперемещений задней опоры ротора по оси X в 1,3...3,0 раза, оси У в 1,3...2,0 раза.

с о с. УО

т

140 120 100 80 60 40 20 0

0

1

\ ✓

V

\

\

2 \

/ \

V •---

\ ^ /

V

1

1

12 3 4 Частота пх 10""

5 6 7

-I

, мин

5 6

Частота п*10"3, мин"1

и

140 120 100 80 60 40 20 0

*■ 4 1 /

-г

> / *-

"-V ■ —-

0 1 2 3 4 5 6 7 Частота п* 10"3, мин"'

да

140 120 100 80 60 40 20 0

i

—4 ---

0 1 2 3 4 5 6 Частота п«10о, мин"1 г

Рисунок 4 - Виброперемещения задней опоры роторов, собранных по типовому (а, б) и предлагаемому (в, г) технологическому процессу в направлении осей Х{а, в) и У (б, г); 1, 2, 3, 4 - номера компрессоров

Таким образом, по результатам проведенного экспериментального исследования можно сделать выводы подтверждена возможность применения метода компенсационной сборки для обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками.

В пятой главе разработаны технологические рекомендации по внедрению результатов исследования в технологические процессы сборки роторов с магнитными подшипниками. Для этого разработан алгоритм проектирования технологических процессов сборки роторов с магнитными подшипниками.

Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма проектирования технологического процесса сборки роторов с магнитными подшипниками на основе компенсационного метода

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В представленной работе решена актуальная задача: обеспечение уравновешенности высокоскоростных гибких роторов с магнитными подшипниками на основе применения компенсационного метода сборки.

Полученные научные результаты позволили сформулировать следующие выводы:

1 Разработанная математическая модель устанавливает взаимосвязь между локальными дисбалансами вала, насадных элементов и технологическими дисбалансами роторов с магнитными подшипниками.

2 Разработанная математическая модель и алгоритм компенсационного метода сборки обеспечивают управление уравновешенностью роторов с магнитными подшипниками на основе выявленной взаимосвязи.

3 Разработанный метод сборки обеспечивает уравновешенность роторов с магнитными подшипниками на основе компенсации локальных дисбалансов вала и технологических дисбалансов ротора, заданными дисбалансами насадных элементов (новизна технических решений подтверждена патентами РФ №2426014, 2449180).

4 Результаты, полученные в ходе экспериментальной сравнительной проверки, подтвердили эффективность компенсационного метода сборки:

- обеспечено снижение общего уровня виброперемещений опор ротора в 1,1-3,0 раза при прохождении первой критической скорости вращения;

- обеспечено снижение размаха виброперемещений опор ротора в 1,3-3,9 раза.

5 Разработанный, апробированный и внедренный в технологические процессы на НПО «Искра» компенсационный метод сборки обеспечивает следующие технико-экономические показатели:

- снижение объема приемо-сдаточных и пуско-наладочных работ, связанных с наладкой компрессора по уровню вибрации, на 10-20%;

- снижение стоимости работ, связанных с балансировкой вала, колес и окончательно собранного ротора, на 15-20%;

- снижение технологического дисбаланса ротора, обусловленного монтажным эксцентриситетом, в 18-25 раз:

- снижение трудоемкости сборки роторов за счет исключения повторных

переборок на 10-15%;

- экономический эффект от внедрения разработанного технологического обеспечения составляет 1,1 млн. рублей в год.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1 Макаров, В. Ф. Технологическое обеспечение сборки роторов по заданным параметрам [Текст] / В. Ф. Макаров, С. М. Белобородое, А. Ю. Ковалев // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2012. -№11. - С. 43-48.

2 Белобородое, С. М. Расчетно-имитационный метод балансировки роторов [Текст] / С. М. Белобородов, А. Ю. Ковалев // Технология машиностроения. - 2010.- №8. - С. 7-9.

3 Белобородов, С. М. Методы минимизации локальных монтажных дисбалансов сборных роторов [Текст] / С. М. Белобородов, А. Ю. Ковалев // Вестник машиностроения. - 2010. — №12,- С. 16-19.

4 Белобородов, С. М. Расчетный метод определения локальных дисбалансов [Текст] / С. М. Белобородов, А. Ю. Ковалев // Компрессорная техника и пневматика. - 2010. - №3.- С. 22-24.

5 Белобородов, С. М. Расчетно-имитационный метод балансировки валов [Текст] / С. М. Белобородов, А. Ю. Ковалев // Компрессорная техника и пневматика. - 2010. - №4.- С. 14-15.

6 Белобородов, С. М. Расчетный метод коррекции локальных дисбалансов [Текст] / С. М. Белобородов, А. Ю. Ковалев // Компрессорная техника и пневматика. - 2010.- №5,- С. 22-24.

7 Макаров, В. Ф. Применение методов адаптивной балансировки и сборки для обеспечения динамической устойчивости роторов газотурбинных агрегатов [Текст] / В. Ф. Макаров, С. М. Белобородов, А. Ю. Ковалев // Компрессорная техника и пневматика. - 2010. - №6. - С. 37-40.

8 Макаров, В. Ф. Технологическое обеспечение виброзащиты элементов валопровода [Текст] / В. Ф. Макаров, С. М. Белобородов, А. Ю. Ковалев // Компрессорная техника и пневматика. - 2011. - №3. - С. 14-17.

Публикации в прочих изданиях

9 Белобородов, С. М. Minimizing Lokal Installation Imbalances in Composite Rotors [Текст] / S. M. Beloborodov, A. Yu. Kovalev // Russian Engineering Research.-USA, 2010.-№12. C. 1205-1207.

10 Ковалев, А. Ю. Методы сборки и балансировки ротора с магнитными подшипниками, обеспечивающие виброустойчивость агрегата [Текст] // LVII научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин «Научно-технические проблемы производства и эксплуатации наземных газотурбинных установок»: тезисы докладов. - Уфа. - 2010. - С. 109-116.

11 Макаров, В. Ф. Технологическое обеспечение динамической устойчивости роторов с магнитными подшипниками [Текст] / В. Ф. Макаров, С. М. Белобородов, А. Ю. Ковалев // Новые материалы и технологии: труды всероссийской научно-технической конференции. - Москва. - 2010. - Т.2. - С. 23-24.

12 Макаров, В. Ф. Технологическое обеспечение минимизации локальных дисбалансов ротора [Текст] / В. Ф. Макаров, С. М. Белобородов, А. Ю. Ковалев // Вестник УГАТУ. - 2011. - Т. 15. №2. - С. 53-55.

13 Макаров, В. Ф. Применение метода прецизионной сборки для обеспечения динамической устойчивости роторов турбоагрегатов [Текст] / В. Ф.

Макаров, С. М. Белобородое, А. Ю. Ковалев // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: труды международной научно-технической конференции.-Донецк.-2011.-Вып. 42.-С. 163-168.

14 Ковалев, А. Ю. Проблематика технологического обеспечения динамической устойчивости роторов с магнитными подшипниками [Текст] // Будущее машиностроения России: труды четвертой всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. - Москва. -2011. - С. 202-203.

15 Белобородое, С. М. Технологическое обеспечение динамической устойчивости роторов турбоагрегатов на основе применения метода прецизионной сборки [Текст] / С. М. Белобородое, А. Ю. Ковалев // Молодые ученые Прикамья - 2011: материалы I международной научно-практической конференции.-Пермь.-2011.-С. 196-205.

16 Макаров, В. Ф. Обеспечение виброустойчивости роторов с несоос-ными основными поверхностями [Текст] / В. Ф. Макаров, С. М. Белобородое, А. Ю. Ковалев // Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий. Межвузовский научный сборник.-Уфа.-2013. - С. 193-199.

17 Пат. 2426014 Российская федерация, МГТК7 Р 04 О 29/66. Расчетно-имитационный способ балансировки вала [Текст] / Белобородое С. М., Ковалев А. Ю., Козинов А. М., Якушева Л. А., Шеховцев Н. Г.; заявитель и патентообладатель ОАО НПО Искра. - №2010112363/06; заявл. 30.03.10; опубл.

10.08.11, Бюл. №22.-6 е.: ил.

18 Пат. 2449180 Российская федерация, МПК7 И 04 Б 29/66. Способ балансировки ротора [Текст] / Белобородов С. М., Ковалев А. Ю.; заявитель и патентообладатель ОАО НПО Искра. - №2010137714/06; заявл. 09.09.10; опубл.

27.04.12, Бюл. №12. - 5 е.: ил.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 10.07.2013 г. Формат 60x84 1/16. Уч.-издл. 1. Тираж 100. Заказ 168.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева (РГАТУ имени П. А. Соловьева) 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

На правах рукописи

04201362775 КОВАЛЕВ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УРАВНОВЕШЕННОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ РОТОРОВ С МАГНИТНЫМИ ПОДШИПНИКАМИ НА ОСНОВЕ КОМПЕНСАЦИОННОГО МЕТОДА СБОРКИ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Научный руководитель д-р. техн. наук, проф. Макаров В. Ф.

Пермь 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................. 5

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ 8

1.1 Конструкторские и технологические требования к деталям и узлам роторов с магнитными подшипниками................................ 8

1.2 Анализ научных и производственных проблем обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками.......... 22

1.3 Анализ литературы и опыта предприятий по решению проблем обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками................................................................................... 26

1.4 Выводы по главе 1....................................................................... 45

1.5 Цель и задачи исследования....................................................... 46

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УРАВНОВЕШЕННОСТИ РОТОРОВ С МАГНИТНЫМИ ПОДИШПНИКАМИ..................................................... 48

2.1 Гипотеза технологического обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками........................................... 48

2.2 Математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между локальными дисбалансами вала, насадных элементов и технологическими дисбалансами ротора с магнитными подшипниками......................................................................................... 48

2.3 Математическая модель метода компенсационной сборки роторов с магнитными подшипниками........................................... 60

2.4 Алгоритм метода компенсационной сборки роторов с магнитными подшипниками................................................................... 64

2.5 Выводы по главе 2....................................................................... 65

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ УРАВНОВЕШЕННОСТИ РОТОРОВ...................................................................................... 66

3.1 Материально-техническое обеспечение экспериментального исследования...................................................................................... 68

3.2 Методика исследования характера распределения по длине и параметров эксцентриситетов цилиндрических участков вала.......................................................................................................... 77

3.3 Методика исследования изменения параметров эксцентриситета магнитного сердечника в ходе его запрессовки на вал...... 82

3.4 Методика исследования возможности многоплоскостного уравновешивания вала исходя из характера распределения и параметров эксцентриситетов его участков.................................... 83

3.5 Методика сравнительного исследования возможности уравновешивания роторов за счет изменения параметров установки колес.................................................................................................... 85

3.6 Методика исследования возможности уравновешивания роторов за счет многоплоскостного уравновешивания валов........... 87

3.7 Методика исследования возможности уравновешивания роторов за счет коррекции внешнего дисбалансирующего воздействия.................................................................................................... 90

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УРАВНОВЕШИВАНИЯ РОТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЕНСАЦИОННОГО МЕТОДА СБОРКИ........................... 94

4.1 Результаты исследования характера распределения по длине и параметров эксцентриситетов цилиндрических участков вала.......................................................................................................... 94

4.2 Результаты исследования изменения параметров эксцентриситета магнитного сердечника в ходе его запрессовки на вал...... 96

4.3 Результаты исследования возможности многоплоскостного уравновешивания вала исходя из характера распределения по длине и параметров эксцентриситетов его участков..................... 98

4.4 Результаты сравнительного исследования возможности уравновешивания роторов за счет изменения параметров установки колес......................................................................................... 102

4.5 Результаты сравнительного исследования возможности уравновешивания роторов за счет многоплоскостного уравновешивания валов................................................................................ 105

4.6 Результаты исследования возможности уравновешивания роторов за счет коррекции внешнего дисбалансирующего воздействия.............................................................................................. 110

4.7 Выводы по главе 4....................................................................... 112

ГЛАВА 5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УРАВНОВЕШЕННОСТИ РОТОРОВ С МАГНИТНЫМИ ПОДШИПНИКАМИ................................................................................... 114

5.1 Алгоритм проектирования технологического процесса сборки......................................................................................................... 114

5.2 Программное обеспечение сборочного процесса..................... 129

5.3 Технико-экономический эффект разработанного технологического обеспечения.......................................................................... 133

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...................................................................................... 135

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................. 137

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Высокоскоростные роторы с магнитными подшипниками находят все более широкое применение в различных областях машиностроения, в том числе и в компрессоростроении. Это объясняется во первых увеличением объема производства компрессоров в связи с прокладкой новых газопроводов - северный поток, южный поток, восточный поток и др. Во вторых роторы с магнитными подшипниками обладают существенными преимуществами по сравнению с роторами с традиционными подшипниками качения и скольжения. Благодаря отсутствию механического контакта между подвижной и неподвижной частями машины исключается изнашивание в узле ротора, не требуется система смазки, обеспечиваются высокие скорости вращения и низкое энергопотребление, возможна работа в экстремальных условиях. Благодаря наличию электронной системы управления магнитным подвесом обеспечивается контроль положения оси ротора, регулировка жесткости и демпфирования подвеса, контроль параметров рабочего процесса.

Ротор компрессора, являясь наиболее напряженным узлом, определяет уровень надежности и долговечности машины. В свою очередь подшипниковые узлы определяют эксплуатационную надежность роторов с магнитными подшипниками. Ресурс роторов с магнитными подшипниками определяется временем до возникновения сверхнормативного уровня эксплуатационных дисбалансов. При достижении их критического значения ротор выходит из строя. Одним из основных факторов, приводящих к повышению уровня эксплуатационных дисбалансов ротора, является его недостаточная уравновешенность, обусловленная, в том числе и несовершенством технологических процессов сборки. Высокоскоростные роторы центробежных компрессоров для газовой'промышленности работают с часто-

тами вращения 4500-12000 об/мин. На таких частотах недостаточная уравновешенность роторов значительно сказывается на его динамическом состоянии - появляется динамический изгиб вала ротора от действия центробежных сил, обусловленных локальными дисбалансами ротора, что приводит к резкому возрастанию вибрации опор ротора. Высоко нагруженные удлиненные роторы подвергаются также модальным изгибам, которые можно устранить только на высокочастотном дорогостоящем балансировочном оборудовании. Однако эксплуатация такого оборудования сопряжена с повышенной трудоемкостью и стоимостью соответствующей технологии.

В настоящее время отсутствуют научные разработки, обеспечивающие многоплоскостное уравновешивание роторов с магнитными подшипниками на доступном низкочастотном оборудовании. Отсутствуют научно обоснованные технологические рекомендации для обеспечения требуемого уровня уравновешенности роторов с магнитными подшипниками в процессе их сборки.

Таким образом, разработка технологического обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками центробежных компрессоров на этапе их сборки, позволяющего повысить эксплуатационную надежность и ресурс компрессоров и снизить трудоемкость и стоимость сборки их роторов, является актуальной задачей.

Целью работы является разработка технологического обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками центробежных компрессоров на основе компенсации локальных дисбалансов вала и технологических дисбалансов ротора заданными дисбалансами насадных элементов в процессе сборки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1 В результате системного анализа научных исследований и существующего опыта в области технологического обеспечения уравновешен-

ности роторов с магнитными подшипниками разработать пути решения выявленных проблем.

2 Рассмотреть механизм снижения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками на этапе сборки и монтажа и теоретически обосновать возможность многоплоскостного уравновешивания роторов с магнитными подшипниками на основе компенсации технологических дисбалансов заданными дисбалансами насадных элементов.

3 Разработать математическую модель, устанавливающую теоретическую взаимосвязь между локальными дисбалансами вала, насадных элементов и технологическими дисбалансами роторов с магнитными подшипниками.

4 Разработать математическую модель и алгоритм компенсационного метода сборки, позволяющие управлять процессом обеспечения уравновешенности роторов с магнитными подшипниками. Разработать программу расчета параметров сборки.

5 Разработать методику проведения экспериментального исследования динамического состояния роторов с магнитными подшипниками.

6 Провести сравнительные экспериментальные исследования динамического состояния роторов с магнитными подшипниками, собранных по типовому технологическому процессу и по технологическому процессу, основанному на применении разработанного метода. Провести анализ результатов экспериментального исследования.

7 Разработать технологические рекомендации по обеспечению уравновешенности роторов с магнитными подшипниками в технологических процессах сборки, основанных на применении разработанного метода.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1 Конструкторские и технологические требования к деталям и узлам роторов с магнитными подшипниками

Валопровод агрегата является сложной механической системой, состоящей из нескольких последовательно соединенных роторов, соединенных болтами на фланцах. Валопровод газоперекачивающего агрегата (ГПА) как правило, состоит из трех роторов: ротор силовой турбины, трансмиссия, ротор компрессора. В проведенном исследовании не затрагиваются вопросы, связанные с уравновешенностью всего валопровода, а решается задача обеспечения уравновешенности ротора компрессора с учетом дисбалансирующего воздействия трансмиссии со стороны привода.

В представленной работе ротор с магнитными подшипниками, являющийся предметом исследования, рассматривается как гибкий ротор с несовпадающими технологическими и конструкторскими базовыми поверхностями (рис. 1.1). Технологические базовые поверхности А, Б, В ротора используются при его балансировке и контроле радиальных и торцовых биений (рис. 1.2), а конструкторские базовые поверхности Г, Д, Е используются для базирования ротора в корпусе компрессора (рис. 1.3). Помимо этого, механическая обработка вала и ряда цилиндрических поверхностей ротора осуществляется с базированием по центровым отверстиям вала и с дополнительной опорой на люнет станка.

Под динамической устойчивостью ротора понимается его способность при заданном уровне неуравновешенности сохранять в пределах

нормы динамический изгиб на всех частотах вращения вплоть до наибольшей эксплуатационной.

8

Рисунок 1.1 - Ротор с магнитными подшипниками: 1 - вал; 2, 3 - роторы опорных подшипников (несущие поверхности); 4 - ротор подшипника упорного; 5,6- рабочие колеса; 7 - думмис; 8 - фланец; 9 - втулка блока датчиков; А, Б, В - технологические базовые поверхности; Г, Д, Е -конструкторские базовые поверхности

А

Рисунок 1.2 - Комплект баз ротора с магнитными подшипниками, используемый в процессе балансировки и контроля радиальных и торцовых биений: А - технологическая двойная направляющая явная база ротора; Б - технологическая опорная явная база ротора

Несовпадение технологических и конструкторских базовых поверхностей приводит к появлению множества локальных монтажных дисбалансов ротора после его монтажа в корпус компрессора, причем величина главного вектора монтажных дисбалансов во много раз превышает величину допустимого остаточного дисбаланса ротора, что приводит к резкому снижению уравновешенности ротора. Например, ротор массой 1200 кг после монтажа с эксцентриситетом 5 мкм, что соответствует требованиям конструкторской документации, приобретает монтажный дисбаланс 6000 г-мм, который превышает допустимый остаточный дисбаланс в 20 раз.

Рисунок 1.3 — Комплект баз ротора с магнитными подшипниками, используемый при эксплуатации компрессора: А - конструкторская двойная направляющая явная база ротора; Б - конструкторская опорная явная база ротора

Низкий уровень уравновешенности ротора сопровождается значительными упругими динамическими деформациями и, как следствие, рос-

том оборотной составляющей вибрации ротора. Исходя из того, что в рабочем диапазоне частот оборотная составляющая виброперемещений опор ротора составляет 80-90% от общего уровня виброперемещений, уровень уравновешенности ротора можно оценивать по общему уровню виброперемещений его опор, что облегчает анализ динамического состояния рото-

Неуравновешенность ротора рассматривалась в качестве основной причины снижения его динамической устойчивости. Под неуравновешенностью понимается состояние ротора, характеризующееся таким распределением масс, которое во время вращения вызывает переменные нагрузки на опорах ротора и его изгиб. Неуравновешенность ротора с магнитными подшипниками определяется действующей на него системой дисбалансов (рис. 1.4). Дисбаланс - векторная величина, равная произведению неуравновешенной массы на ее эксцентриситет. Система дисбалансов ротора с магнитными подшипниками содержит монтажные, локальные, остаточные дисбалансы, а также дисбаланс, обусловленный внешним влиянием со стороны трансмиссии (внешнее дисбалансирующее воздействие).

Рисунок 1.4 - Система дисбалансов ротора с магнитными подшипниками: 1 - трансмиссия; 2 - ротор; 3 - внешнее дисбалансирующее воздействие трансмиссии; 4-10 - монтажные дисбалансы; 11-15 - локальные дисбалансы; 16-19 - остаточные дисбалансы

ра.

Под технологическим обеспечением уравновешенности роторов с магнитными подшипниками, что является объектом исследования, понимается комплекс мероприятий, обеспечивающий в ходе технологического процесса сборки изготовление роторов с заданным уровнем уравновешенности.

Активные магнитные подшипники, применяемые в конструкции ротора, рассматриваются как система несущих, опорных и упорных поверхностей, обладающих центрирующим и демпфирующим эффектом.

Высокоскоростные роторы с энергоэффективными активными магнитными подшипниками (рис. 1.5) находят все более широкое применение в различных областях машиностроения, в том числе и в компрессоро-строении.

Рисунок 1.5 - Активный магнитный подшипник ротора: 1 - ротор; 2 - статор; 3 - обмотка

Основные области применения магнитных подшипников (рис. 1.6) -центробежные компрессоры; высоковакуумные турбомолекулярные насосы, точные измерительные приборы, гироскопы, шлифовальные и фрезерные шпиндели, балансировочные станки, супермаховики для накопления энергии, газогенераторы, насосные станции. Широкая популярность магнитных подшипников объясняется их существенными преимуществами по сравнению с традиционными подшипниками качения и скольжения. Благодаря отсутствию механического контакта между подвижной и неподвижной частями машины исключается изнашивание в узле ротора, не тре-

3

1

буется система смазки, обеспечиваются высокие скорости вращения и низкое энергопотребление, возможна работа в экстремальных условиях (вакуум, сверхвысокие и сверхнизкие температуры, стерильные технологии). Благодаря наличию электронной системы управления магнитным подвесом обеспечивается контроль положения оси ротора, регулировка жесткости и демпфирования подвеса, контроль параметров рабочего процесса (скорость вращения, нагрузка на подшипники, положение ротора и его дисбаланс) [43].

а

*

в г

Рисунок 1.6 - Области применения магнитных подшипников: а -турбовентилятор для охлаждения лазера С02 (скоро�