CC BY
216
.
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.
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;
— 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
