Научная статья на тему 'Анализ источников вибраций, возникающих в насосных агрегатах, и пути повышения эффективности вибрационной защиты элементов конструкций зданий и сооружений'

Анализ источников вибраций, возникающих в насосных агрегатах, и пути повышения эффективности вибрационной защиты элементов конструкций зданий и сооружений Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
1130
165
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОЛЕБАНИЯ (ВИБРАЦИИ) В НАСОСНЫХ АГРЕГАТАХ / ВИБРАЦИЯ В ТРУБОПРОВОДАХ / КАВИТАЦИЯ / OSCILLATIONS (VIBRATION) IN PUMP AGGREGATES / VIBRATION IN PIPELINES / VIBRATION IN PUMPS / A CAVITATION

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Аверьянов Геннадий Сергеевич, Бельков Валентин Николаевич, Бурьян Юрий Андреевич, Корчагин Анатолий Борисович, Комаров Юрий Петрович

Рассматриваются общие подходы к определению источников вибраций насосных агрегатов. Изложен вариант оценки эффективности вибрационной защиты. Предложены меры для уменьшения вибрационной нагрузки, передаваемой на элементы конструкций зданий и сооружений.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Аверьянов Геннадий Сергеевич, Бельков Валентин Николаевич, Бурьян Юрий Андреевич, Корчагин Анатолий Борисович, Комаров Юрий Петрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE ANALYSIS OF SOURCES OF VIBRATIONS IN PUMP UNITS AND WAYS OF INCREASE OF EFFICIENCY OF VIBRATION PROTECTION OF BUILDING AND CONSTRUCTIONS ELEMENTS

The analysis of sources of vibrations in pump units and ways of increase of efficiency of vibration protection of building and constructions elements The common approaches to definition of the sources of vibrations of pump units are considered. An option for evaluation of the efficiency of vibration protection is developed. The measures for reduction of vibrational loading applied to elements of constructions and building elements are offered.

Текст научной работы на тему «Анализ источников вибраций, возникающих в насосных агрегатах, и пути повышения эффективности вибрационной защиты элементов конструкций зданий и сооружений»

.

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

удк 62-567.5 г. С. АВЕРЬЯНОВ

В. Н. БЕЛЬКОВ Ю. А. БУРЬЯН А. Б. КОРЧАГИН Ю. П. КОМАРОВ

Омский государственный технический университет

НПО «Прогресс», г. Омск

АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ВИБРАЦИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ В НАСОСНЫХ АГРЕГАТАХ,

И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИБРАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ________________________

Рассматриваются общие подходы к определению источников вибраций насосных агрегатов. Изложен вариант оценки эффективности вибрационной защиты. Предложены меры для уменьшения вибрационной нагрузки, передаваемой на элементы конструкций зданий и сооружений.

Ключевые слова: колебания (вибрации) в насосных агрегатах, вибрация в трубопроводах, кавитация.

Колебания (вибрации) в насосных агрегатах рассматриваются прежде всего с позиции их влияния на долговечность работы элементов конструкции любого агрегата, влияния на фундаменты или бетонные перекрытия, где они устанавливаются, а также влияния на человека [1 ].

К источникам вибрации в насосных агрегатах систем водоснабжения и отведения относятся:

— трубопроводы;

— насосы;

— электрические машины.

Вибрации в трубопроводах обусловлены волновыми процессами, происходяшими в перекачиваемой жидкости.

Физика волновых процессов сложна и требует глубокого изучения.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

Вибрации в насосах возникают из-за неоднородности перекачиваемой жидкости. Это относится, в частности, к системам водоснабжения и водоотведения вследствие кавитационных явлений в рабочей полости насоса [2].

Кавитация, как известно, представляет собой процесс нарушения сплошности течения жидкости, который происходит в тех участках потока, где давление, понижаясь, достигает некоторого критического значения. В потоке жидкости создается ограниченная кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками.

Качественное изменение структуры потока, вызванное кавитацией, приводит к изменению режима работы гидравлической машины или системы. Неустойчивость кавитационной зоны и вызванные появлением этой зоны вторичные течения жидкости приводят к значительным пульсациям давления в потоке, которые оказывают динамическое воздействия на поверхности, направляющих поток.

Результаты многочисленных экспериментальных исследований и опыт эксплуатации различного гидравлического оборудования указывает на появление сильных вибраций в тех случаях, когда развивающаяся кавитация являлась единственным следствием изменения характеристики потока.

Механические колебания в электрических машинах специфичны вследствие воздействия переменного магнитного поля и особенностей их конструкций [3, 4, 5].

Выполняя в электрической машине важнейшие функции, ротор представляет собой основной источник вредных вибраций, интенсивность которых зависит от целого ряда факторов, таких как конструктивные особенности машины и ее назначение, тип подшипников, характер соединения ротора с насосом.

При этом основными причинами роторных вибраций являются, с одной стороны, различного рода несовершенства (конструктивные или возникающие при изготовлении, сборке или эксплуатации), а с другой — специфические для роторных систем консервативные силы, приводящие при определенных условиях к автоколебаниям [6].

Проблеме колебаний роторов посвящены монографии и сборники [5].

При анализе колебаний электрических машин необходимо принимать во внимание силы, взаимодействующие между ротором и статором, обусловленные притяжением ферромагнитных поверхностей.

Эти силы вызывают главным образом магнитные вибрации статоров с широким спектром частот [3, 5].

Возникающая неизменная по направлению сила одностороннего магнитного притяжения ротора к статору деформирует ось ротора, и при вращении ротора появляются вибрации с частотой вращения.

Подшипники качения в электрических машинах являются источниками так называемых подшипниковых вибраций с широким спектром частот [5, 7, 8, 9]. К подшипниковым вибрациям приводит следующий ряд причин:

1. Наличие в подшипниках нескольких элементов, совершающих сложное движение с различными угловыми скоростями.

2. Несовершенства подшипников качения, образовавшиеся на стадии их изготовления. К числу этих несовершенств относится разносность внутренних и наружных колец и разные размеры тел качения, некруглость тел и погрешности профилей дорожек качения, неуравновешенность колец и сепараторов.

3. Несовершенства, возникающие при сборке электрической машины (например, перекосы колец), а также дефекты, появляющиеся в процессе эксплуатации (износы, загрязнение смазкой, разгруже-ние сепараторов и тел качения и т.д.).

Несовершенства в соединениях валов электрических машин и насосов также являются источниками вибрации [5].

Валы электродвигателей и насосов соединяют, как правило, с помощью муфт двух типов: неподвижных и подвижных.

Для неподвижных муфт, которые могут быть как жесткими, так и упругими, характерным является отсутствие взаимного проскальзывания между элементами муфт. Примером типичной неподвижной муфты является фланцевая муфта, которая состоит из двух полумуфт-фланцев.

Характерное несовершенство изготовления фланцевого соединения заключается в несовпадении оси вращения и осей цилиндрических поверхностей выступов и выточек (радиальное биение) и неперпенди-кулярности оси вращения торцовым поверхностям полумуфт (торцовое биение).

Таким образом, при соединении полумуфт, имеющих несовершенства изготовления, при их принудительном центрировании ось вращения валов изгибается, что приводит к вибрациям с частотой вращения.

Подвижные муфты, существенно уменьшающие вибрации одного происхождения, сами вследствие определенных несовершенств могут стать причиной вибраций.

Например, в пальцевой муфте передача крутящего момента происходит с помощью нескольких стержней (пальцев), симметрично расположенных на торце одной полумуфты и входящих с определенным зазором в соответствующие гнезда на другой полу-муфте.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Вследствие неизбежных несовершенств изготовления а также неодинаковости износа пальцев и гнезд силы, действующие на пальцы, в общем случае различны. Это приводит к возникновению в каждой полумуфте некоторых поперечных сил АР, равных по величине и противоположных по направлению. Эти вращающиеся вместе с валами силы приводят к возникновению вибраций с частотой вращения.

Вследствие того, что величины сил АР, помимо степени несовершенств в полумуфтах, зависят также от величины крутящего момента, возникающие при этом вибрации зависят от величины крутящего момента.

Таким образом, указанные причины возникновения колебаний, каждая в отдельности и в сочетании, приводят к сложным спектрам вибрации систем водоснабжения и водоотведения.

Оценка эффективности вибрационной защиты может быть произведена путем сравнения спектральных характеристик вибраций в контрольных точках строительной конструкции при работе насосной станции без системы вибрационной защиты и с системой вибрационной защиты. Сравниваются амплитуды частотного спектра при разложении измеренного процесса в ряд Фурье, значения дисперсий

1 1

амплитуд вибрации в октавных (или — , — октавы)

2 4

полосах частот, а также сравниваются спектральные плотности мощности вибраций.

Предлагается рассмотрение задачи вибрационной защиты строений насосных станций при горизонтальном расположении насосных агрегатов. Принци-

а) б)

Рис. 1. Схема агрегата перекачивающей станции а) — общий вид агрегата, б) — поперечное сечение агрегата на рис. а):

1 — насос, 2 — задвижка, 3 — трубопровод, 4 — стена здания насосной станции,

5 — фундамент насосного агрегата, 6 — фундамент задвижки, 7 — фундамент здания, 8 — электродвигатель, 9 —основание агрегата

Рис. 2. Схема конфигурации системы вибрационной защиты насосного агрегата с использованием РКО НИ-14:

1 — насос, 2 — электродвигатель, 3 — литая рама, 4 — сварная рама, 5 — РКО, 6 — стойка, 7 — фундамент, 8 — эластичная муфта

пиальная схема агрегата перекачивающей станции без вибрационной защиты представлена на рис. 1 а, б.

Задачей вибрационной защиты является уменьшение нагрузки, передаваемой от вибрационно-активных узлов на элементы конструкции здания насосной станции.

Вибрационно-активными элементами в данной схеме являются: насосный агрегат, состоящий из электродвигателя и насоса, устанавливаемый на общем основании, а также участок трубопровода от насоса до входа в коллектор за пределами здания насосной станции.

В существующей конструкции всасывающий и нагнетательный трубопроводы связаны с насосным агрегатом жёстко. В разрабатываемой системе вибрационной защиты предлагается соединение трубопроводов с насосом через гибкий резинокордный рукав, развязывающий движение платформы с насосным агрегатом от трубопровода.

Резинокордные рукава необходимых диаметров и длин, снабжённые фланцами для соединения с насосами и трубопроводами, могут быть изготовлены, например, в НПО «Прогресс» в г. Омске на базе выпускаемых серийно резинокордных рукавов.

Необходимо отметить, что кинематическая развязка насосного агрегата и трубопроводов позволяет рассматривать независимо две научно-технические проблемы:

— разработка системы вибрационной защиты здания от насосного агрегата;

— разработка системы вибрационной защиты здания от участков всасывающего и нагнетательного трубопроводов.

Анализ нагрузочных характеристик и конструктивных особенностей РКО показал, что для решения поставленной задачи подходят РКО подушечного типа НИ-14.

Принципиальная схема конфигурации системы вибрационной защиты для насосного агрегата с использованием шести РКО НИ-14 и специальной наборной сварной рамы показана на рис. 2. В данной схеме положение РКО выбрано так, чтобы центр упругости подвески находился как можно ближе к центру масс всего агрегата.

При этом предполагается, что штатная литая рама агрегата используется без конструктивных изменений и крепится к сварной раме.

Принципиальная схема конфигурации системы вибрационной защиты здания от участка трубопровода показана на рис. 3.

Задача вибрационной защиты связана с проблемой динамики пространственно-криволинейных трубопроводов, заполненных стационарным потоком несжимаемой жидкости.

Известно, что стационарный поток жидкости создаёт напряжённо-деформированное состояние

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

Рис. 3. Схема конфигурации системы вибрационной защиты здания:

1 — РКО, 2 — задвижка, 3 — трубопровод,

4 — стена здания насосной станции, 5 — коллектор, 6 — фундамент

трубы. Это необходимо учитывать при выводе уравнений малых колебаний трубопроводов и, следовательно, при оценке частот собственных колебаний.

Для анализа вибрационно-защитных свойств РКО в системе «Насосный агрегат — упругие элементы» необходимо определить частоты собственных колебаний этой системы.

В первом приближении, насосный агрегат вместе с рамами рассматривается как абсолютно твёрдое тело. На основании известных данных о геометрической форме, размерах и массе тел, входящих в систему, были вычислены приведенные моменты инерции, жесткости подвески, положение центра инерции и центра жёсткости. Затем, при использовании известных уравнений механики, были приближённо определены собственные частоты колебаний.

Для данной конструкции получены следующие частоты:

— частота продольных угловых колебаний —

2.7 с-1;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

— частота продольных поперечных колебаний —

3.8 Гц;

— частота линейных вертикальных колебаний — 2,3 Гц;

— частота линейных продольных колебаний —

1.8 Гц;

— частота линейных поперечных колебаний — 1,6 Гц.

Таким образом, приближённо найденные собственные частоты колебательной системы «насосный агрегат — упругая подвеска» лежат в области низ-ких частот, и можно ожидать в режиме стационарной работы достаточно большой эффективности вибрационной защиты т. к., судя по литературным источникам и по результатам измерений, проведённых в процессе данной работы, основной частотный спектр вибрационно-активных узлов лежит много выше частот собственных колебаний системы.

Библиграфический список

1. Исакович, М. М. Устранение вибраций электрических машин / М. М. Исакович, Л. И. Клейман, Б. Х. Перчанок. — Л. : Энергия, 1969. — 215 с.

2. Карелин, В. Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах / В. Я. Карелин. — М. : Машиностроение, 1979. — 335 с.

3. Шубов, И. Г. Шум и вибрация электрических машин / И. Г. Шубов. — Л. : Энергоатомиздат, 1986. — 205 с.

4. Вибрация энергетических машин [текст] : справ. пособие / Н. В. Григорьев [и др.] ; под ред. Н. В. Григорьева — Л. : Машиностроение, 1979. — 464 с.

5. Вибрация в технике. В 6 т. Т. 3. Колебания машин, конструкции и их элементов [текст] : справ. / Э. Л. Айрапетов [и др.] ; под ред. Ф. М. Диментберга, К. С. Колесникова. — М. : Машиностроение, 1980. — 544 с.

6. Диментберг, Ф. М. Изгибные колебания вращающихся валов / Ф. М. Диментберг. — М. : Машиностроение, 1975. — 258 с.

7. Пинегин, С. В. Вибрация и шум подшипников качения / С. В. Пинегин, К. В. Фролов. — М. : Машиностроение, 1966. — 198 с.

8. Рагульскис, К. М. Вибрация подшипников / К. М. Рагуль-скис, А. Ю. Юркаускас, В. В. Атступенас. — Л. : Машиностроение, 1986. — 119 с.

9. Динамика упругих муфт / Н. В. Григорьев [и др.]. — М. : Энергомашиностроение, 1975. — 235 с.

АВЕРЬЯНОВ Геннадий Сергеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Авиа- и ракетостроение» Омского государственного технического университета.

БЕЛЬКОВ Валентин Николаевич, кандидат технических наук, профессор, декан факультета транспорта, нефти и газа Омского государственного технического университета.

БУРЬЯН Юрий Андреевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Основы теории механики и автоматическое управление» Омского государственного технического университета.

КОРЧАГИН Анатолий Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности» Омского государственного технического университета.

КОМАРОВ Юрий Петрович, главный конструктор по спецтематике научно-производственного предприятия «Прогресс».

Адрес для переписки: omankor@mail.ru

Статья поступила в редакцию 23.11.2011 г.

© Г. С. Аверьянов, В. Н. Бельков, Ю. А. Бурьян,

А. Б. Корчагин, Ю. П. Комаров

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.