Аналитические исследования динамики вращения ротора при отказе резервных подшипников Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Общая и прикладная механика Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 63-64

УДК 539.3

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА ПРИ ОТКАЗЕ РЕЗЕРВНЫХ ПОДШИПНИКОВ

© 2011 г. С.Е. Белов, Н.Г. Кодочигов, В.Л. Патрушев, А.А. Руин, С.А. Соловьев

ОАО «ОКБМ Африкантов», Нижний Новгород

kocay@okbm.nnov.ru

Поступила в редакцию 16.06.2011

Представлены результаты аналитических исследований динамики вращения вертикального ротора при отказе резервных подшипников. Изложены подходы к моделированию роторной системы и устройства безаварийного останова, приведены основные расчетные данные. В результате оптимизации параметров элементов в устройстве безаварийного останова получены исходные данные по нагрузкам для обоснования прочности конструкции стенда.

Ключевые слова: динамика, моделирование, отказ, подшипник, прецессия, ротор, трение, устройство.

Введение

Для обеспечения безопасного выбега ротора в ситуациях выхода из строя электромагнитного подвеса ротора (ЭМП) в роторной системе турбомашины (ТМ) реакторной установки предусматриваются радиальные и осевые резервные подшипники (РП). Разработанные для штатной роторной системы варианты конструкций РП требуют экспериментальной отработки в стендовых условиях. В составе стенда для испытаний макетов РП предусматривается устройство безаварийного останова (далее - устройство), назначением которого является останов ротора стенда в случае аварийного разрушения испытываемых радиальных резервных подшипников и потери магнитной поддержки со стороны радиальных ЭМП. Целью проведенной работы является подбор характеристик элементов устройства при разработке конструкции для обеспечения безопасного выбега ротора.

Значительное число степеней свободы, проявление нелинейностей, обусловленных большим монтажным зазором, трением, переменной жесткостью и существенным демпфированием элементов устройства безаварийного останова потребовало проведения аналитических исследований, т.е. решения задачи взаимодействия ротора стенда и элементов устройства с использованием компьютерного моделирования.

Моделирование динамики системы «ротор — страховочный подшипник»

Ротор стенда для испытаний макетов РП установлен вертикально и в исходном состоянии

вверху вывешивается осевым и радиальным ЭМП. Нижняя радиальная опора ротора - стандартный шариковый подшипник качения. В режиме отключения ЭМП ротор взаимодействует с испытываемым РП, а в случае его отказа - с устройством. Моделирование ротора проведено в 3D постановке c учетом его жесткостных и инерционных характеристик. На рис. 1 представлены расчетная схема ротора (а) и вариант устройства (б).

а) б)

Рис. 1

Основным фактором нагружения ротора являются центробежные силы от дисбаланса, обу -словленного остаточной неуравновешенностью после балансировки.

Для оценки предельного состояния ротора от воздействия неуравновешенных инерционных сил принимается распределение дисбаланса по формам колебаний цилиндрической и конической прецессии.

Гашение энергии ударного взаимодействия ротора предусмотрено за счет упруго-демпфи-рующих элементов устройства, нелинейные нагрузочные характеристики которых получены

экспериментальным путем. Между ротором и внутренней контактирующей поверхностью устройства предусмотрен радиальный зазор Л1 . Дополнительное радиальное перемещение упруго-демпфирующих элементов устройства ограничено величинойЛ2. В зоне контакта ротора и устройства моделируется сила трения. Нижняя опора ротора — шариковый подшипник качения моделируется сферическим шарниром. Под действием сил трения и неуравновешенных центробежных сил возможно увеличение скорости прецессии вращающегося ротора, сопровождающейся значительными силами контактного взаимодействия ротора с устройством.

Наличие гистерезиса в характеристике уп-руго-демпфирующего элемента учитывается силой /(С0 , х), приложенной к устройству наряду с упругой силой. Жесткость С0 подобрана из условия обеспечения необходимой площади петли гистерезиса на рабочем ходе х.

Результаты расчетного моделирования

В результате расчетного моделирования получены основные параметры, характеризующие движение ротора и нагрузки на элементы устройства. На рис. 2 изображена траектория центра ротора в районе СП. Проведен анализ влияния изменения зазора Л1 и коэффициента трения между материалами пар трения ротора и устройства на уменьшение нагрузок.

При анализе результатов расчета выделены две фазы взаимодействия ротора с устройством:

— фаза ударов. Фаза характеризуется перио-

дическими ударами ротора по контактной поверхности элементов устройства, развитию обратной прецессии на высокой частоте вращения;

— фаза постоянного контакта. Фаза характеризуется безотрывным движением ротора по контактирующей поверхности устройства. В этой фазе происходит постоянное нарастание поступательной скорости центра тяжести ротора и, как следствие, постоянное нарастание контактных сил.

Перемещение, мм Рис. 2

Заключение

В результате аналитических исследований процесса выбега ротора при отказе РП определены требуемые параметры упруго-демпфирующего элемента устройства безаварийного останова, определены исходные данные по нагрузкам, необходимые для обоснования почности конструкций.

ANALYTICAL RESEARCH OF THE ROTOR DYNAMICS IN THE EVENT OF FAILURE OF CATCHER BEARINGS

S.E. Belov, N.G. Kodochigov, V.L. Patrushev, A.A. Ruin, S.A. Solovyov

The article presents the results of analytical research of the vertical rotor dynamics in the event of failure of catcher bearings. The main approaches for modelling the rotor system and safety stop device are introduced, and the main results of calculation are presented. For the problem of parameter optimization of the safety stop device, the initial conditions for loading are obtained, which are necessary for the bench validation of the strength of the construction.

Keywords: dynamics, modelling, failure, bearing, precession, rotor, friction, device.