CC BY
39
Компьютерное моделирование вибраций
центробежных пожарных насосов с поврежденным подшипником
Ущапивский И. Л.
Главное управление ГС ЧС Украины во Львовской области,
г. Львов
Введение. Эффективность работы пожарных и спасательных подразделений в значительной степени зависит от состояния готовности пожарно-технического вооружения. При ликвидации пожара подразделением, одним из основных технических элементов является насосная установка, входящая в оснащение специализированного автомобиля. Такие установки представляют собой относительно сложный комплекс узлов и агрегатов. Большинство насосных установок создаются на основе центробежных насосов. Конструктивные и эксплуатационные показатели которого во многом определяют надежность и эффективность средств и оборудования, используемого при ликвидации пожара.
Одной из наиболее важных характеристик центробежного пожарного насоса является его надежность. Существуют различные типы отказов насосов и причины их возникновения, тем не менее все виды неисправностей в той или иной форме приводят к увеличению вибрации или шума насоса.
Постановка задачи. Целью данной работы является разработка теоретической компьютерной модели центробежного пожарного насоса ПН-40УВ и исследования на ее основе его вибрационных характеристик, определение которых позволяет получить описание вибрационных признаков сопровождающих работу насоса и может быть использованы при создании системы диагностики технического состояния насосов в эксплуатации.
Основной материал. В работе исследуется центробежный пожарный насос типа ПН-40УВ, серийно выпускаемые ООО «Прилукский завод противопожарного и специального машиностроения« Пожспецмаш» (г. Прилуки, Украина).
Основным креплением насоса ПН-40УВ является болтовое соединение к раме автомобиля на четырех опорах. Кроме этого соединения дополнительными связями есть элементы трубопроводных систем. Так, крышка корпуса насоса соединяется с всасывающим патрубком, который через стальную трубу диаметром 100 мм жестко соединен с цистерной автомобиля. Аналогично выходной патрубок насоса подключен к коллектору, который имеет разветвленную трубопроводную систему, которая соединяет насос с пожарным рукавом и цистерной. Соединение коллектора с цистерной является жестким. Коллектор представляет собой массивную сложную структуру трубопроводов, кранов и других дополнительных систем контроля и управления. Подробное моделирование этой части насосной установки не имеет смысла поскольку вибрации этой детали не представляют интереса. Поэтому в данной работе был упрощенно смоделирован коллектор, как пространственное тело простой формы, соответствующих габаритов и массы. Для корректного воспроизведения инерционно — упругих параметров системы от коллектора промоделирован трубопро-
вод, соединяющий насос с гибким пожарным рукавом. На рис. 1, а представлена геометрическая модель насоса с упрощенной моделью коллектора.
Проведение анализа вибрационного состояния центробежных пожарных насосов и исследование влияния на него разного рода эксплуатационных повреждений и дефектов требует разработки адекватных математических моделей. Центробежный пожарный насос принципиально является трехмерным телом, имеет сложную пространственную систему связей и распределение жесткости по элементам конструкции. Наиболее естественным способом построения адекватной теоретической модели является компьютерное моделирование, основанное на использовании метода конечных элементов (МКЭ) [1, 2].
В соответствии с подходом МКЭ моделирование проводится по алгоритму:
1) разработка подробных геометрических моделей конструктивных элементов центробежного насоса;
2) математическое описание динамического анализа;
3) нанесение расчетной (конечно-элементной) сетки;
4) задания граничных условий, связей, нагрузок и т. д.;
5) проведение расчетов и анализ результатов.
Рис. 1. Геометрическая (а) и КЭ (б) модели насоса ПН-40УВ
Полученную таким образом расчетную математическую модель можно использовать с целью проведения вариативных исследований, в том числе и моделирование влияния различного рода повреждений на динамические характеристики пожарных насосов.
При компьютерном моделировании использовались трехмерные геометрические модели, описанные ранее. Итак следующей частью алгоритма теоретического компьютерного моделирования является нанесением расчетной конечно- элементной сетки. Построенные расчетные сетки корпуса центробежного насоса ПН- 40УВ представлено на рис. 16.
Исследование вынужденных гармонических колебаний пожарного насоса ПН-40УВ. Во время работы насоса происходят вибрации, которые являются колебаниями, вызванные наличием вынужденных гармонических сил. Указанные силы являются результатом комплексного действия наличия дисбаланса, несоосности соединения валов и т. д. [4]. Соответствующие силы дей-
ствуют на ротор рабочего колеса и передаются через подшипники на корпус насоса. С целью анализа проявления вибраций насоса на разных частотах вращения ротора, было построено АЧХ колебаний насоса. На рис. 3 представлены АЧХ в разных направлениях и форма вынужденных колебаний насоса.
Предыдущие исследования были проведены для исправного насоса. Общая идея диагностики насоса заключается в определении закономерностей изменения вибраций насоса, имеющего скрытые дефекты. Поэтому следующим шагом в исследовании является моделирование вибраций насоса с дефектами. Среди неисправностей, которые наиболее часто наблюдаются при эксплуатации насосов следует выделить ослабление креплений насоса к раме автомобиля, неисправности в подшипниковых узлах, повреждения или засорения рабочего колеса, появление кавитационных режимов и потеря герметичности. Большинство указанных неисправностей приводит к увеличению вибраций. Причем к скрытым дефектам следует отнести неисправности в подшипниках и в рабочем колесе.
I 100 ЯП 3» Ш 500 1, 1М ИИ 300 1М 5И>
Ггеяиелсу Шг] (Н7>
в г
Рис. 3. Результаты расчетов вынужденных гармонических колебаний: а — пространственная форма вынужденных колебаний на частоте 33 Гц (2000 об / мин); б, в, г — АЧХ в осевом, вертикальном и горизонтальном направлениях
В данной работе проведены исследования по моделированию повреждения подшипника, в результате его износа. Соответствующие результаты приведены на рис. 4 и рис. 5. При этом моделировалось два отдельных случая частичный дефект, который проявляется в виде ослабления посадки вала в обойме подшипника и практически полный износ подшипника.
вертикальное направление
осевое направление
горизонтальное направление
Рис. 4. АЧХ виброускорений насоса, который имеет ослабление посадки вала в подшипнике (пунктир) и полностью изношенный подшипник (сплошная линия)
На рис. 5 представлены обобщенные результаты по 4 первым гармоника. На этих графиках показаны относительные величины, т. е. то как изменяются гармоники в зависимости от степени изношенности подшипника. Можно видеть, что первые три гармоники при износе подшипника способны увеличится в три раза в вертикальном и осевом направлениях, а в горизонтальном - в 1,5 раза и больше.
вертикальное направление
Н-1-1-1-г
осевое направление
Рис. 5. Зависимости относительных изменений гармоник вибраций от степени износа подшипника (на графиках представлены значения, отнесенные к соответствующим величинам этих же гармоник в недефектном состоянии)
горизонтальное направление
Выводы. Таким образом, в работе представлены результаты компьютерного КЭ моделирования вибрационных характеристик центробежного пожарного насоса ПН- 40УВ. Определены собственные частоты и формы колебаний. Рассчитанные АЧХ, которые показывают резонансные зоны вибра-
ций. Построено пространственную форму вибраций при вынужденных колебаниях на частоте вращения ротора 2000 об/мин. Определено, что наибольшие амплитуды вибраций наблюдаются на входном патрубке насоса. Согласно указанное место является наиболее целесообразным для установления датчиков замера вибраций.
Библиографический список
1. Толок В. А. Метод конечных элементов. Теория, алгоритмы, реализация / В. А. Толок, В. В. Киричевский, С. И. Гоменюк и др. - К.: Наук. думка, 2003. -256с.
2. Басов К. А. ANSYS в примерах и задачах / К. А. Басов. - М.: Компьютер Пресс, 2002. - 224с.
3. Бабаков И. М. Теория колебаний / И. М. Бабаков. — М.: Наука, 2004. — 591с.
4. Жовдак В. А. Колебания вращающихся роторов / В. А. Жовдак, Харьков: НТУ «ХПИ», 2001. - 80с.
