CC BY
54
УДК 62-131:62-553
МЕХАТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА РОТОРНЫХ АГРЕГАТОВ
Л. А. Савин, Р.Н. Поляков, Д.В. Шутин, А.В. Кузавка
Проведен анализ общей тенденции применения мехатронных технологий в роторных машинах. Сформированы базовые принципы, заложенные в основу функционирования мехатронных опор, демпфирующих элементов и уплотнений. Представлена классификация мехатронных устройств в зависимости от физических принципов формирования управляющих воздействий. Рассмотрены перспективные направления исследований в данной предметной области.
Ключевые слова: роторные машины, системы управления, мехатронные устройства, классификация, адаптация, активные опоры, исполнительные механизмы.
К современным роторным машинам предъявляются все более высокие требования по энергоэффективности, ресурсу, показателям надежности машины и т.д. При этом классический путь совершенствования роторных машин, заключающийся преимущественно во внесении конструктивных и технологических изменений в имеющиеся решения, зачастую упирается в некоторые физические пределы. Такие ограничения либо вовсе не позволяют добиться значительного повышения характеристик, либо требуют для решения подобных задач крайне высоких затрат. Вместе с тем, на современном этапе развития техники важную роль стали играть управляющие и информационные системы, активно внедряемые в традиционные конструкции машин и позволяющие на основе синергетического эффекта качественно повысить их возможности. Что касается опорных узлов роторных систем, внедрение в них мехатронных устройств долгое время ограничивалось возможностями используемых для этого конструктивных и вычислительных средств. В первую очередь это касается опор с жидкостной и газовой смазкой, которые сами по себе являются весьма сложными для моделирования и исследования системами. Возросшие возможности силовой электроники и вычислительных систем, позволяющих проводить комплексное моделирование, в также совершенствование характеристик аппаратной базы, которая может применяться в рассматриваемых случаях, обусловили продвижение исследований и получение ряда новых результатов в течение последних десятилетий [1].
Многообразие существующих в настоящее время и потенциально возможных форм мехатронных устройств в роторных системах требует проведения систематизации в этой предметной, что позволит оценить уровень развития и способствовать поиску путей совершенствования.
Роторные агрегаты с электрическим или турбинным приводом включают гидравлические тракты, тепловые части, систему охлаждения и смазки, входные и выходные направляющие аппараты, валы с закреплен-
ными рабочими колесами, соединенные элементы опоры роторов, уплот-нительные демпферные устройства.
В соответствии с этапами формирования класса активных опор роторов можно выделить несколько категорий таких устройств по возможности адаптации опорных систем к текущим условиям функционирования:
1. В традиционных опорах роторов - подшипниковых узлах трения, скольжения и качения характеристики закладываются в конструкцию при проектировании и мало изменяются в течение всего времени работы системы.
2. В опорах с автоматической адаптацией изменение режима работы происходит в результате действия инерционных или гидростатических эффектов. Управляющие сигналы на такие конструктивные элементы поступают от источников внутри самих опор, а управляющие воздействия на объект управления реализуются без подвода дополнительной энергии из внешних систем. Примером опоры такой категории может служить известная опора с плавающим элементом [2].
3. В активных опорах адаптация к изменяющимся режимам работы происходит за счет воздействий, поступающих на исполнительные органы от внешнего по отношению к конструктивному исполнению опоры контура управления. Как правило, такие опоры оснащены системой сенсоров, блоком управления и рядом исполнительных устройств различных типов, обеспечивающих выдачу управляющих воздействий на объект управления. Именно данный класс опор может обобщенно называться мехатронными, типовая схема такой опоры приведена на рис. 1.
Рис. 1. Типовая схема мехатронной опоры
В случае мехатронных опор непосредственным объектом управления является сам ротор машины. Управляемым параметром в таком случае обычно является положение опорной части вала в подшипнике. При этом чаще всего имеет значение не само положение, которое может быть описано одной или несколькими пространственными координатами, а ком-
297
плексные характеристики - например, амплитуды вибраций, потери мощности на трение, которые также во многом обусловлены размерами и формой траекторий движения ротора. Учитывая вышесказанное, можно разделить мехатронные опоры в зависимости от способа управляющих воздействий:
1. С непосредственным регулированием положения ротора. Данный подход заключается в том, что управляющие воздействия оказываются на ротор в пределах одного оборота или цикла вращения с учетом отклонения его от желаемой позиции в каждый момент времени. Учитывая дискретность систем управления такого рода, для реализации управления анализируется текущее положение ротора и системой управления подбирается требуемое управляющее воздействие. Задача исполнительного устройства как можно быстрее отработать это воздействие и обеспечить поступление его на объект управления. Такой подход, соответственно, предъявляет жесткие требования к быстродействию исполнительных устройств и системы управления в целом. Это ограничивает предельное быстродействие управляемых роторно-опорных систем, но, с другой стороны, позволяет реализовать полностью контролируемое движение ротора и, как следствие, иметь полностью контролируемые параметры работы роторной машины.
2. С регулированием параметров опоры. Данный подход отличается тем, что в качестве регулируемой величины выступает не само положение ротора в опоре, а один или несколько параметров опорного узла, такие как жесткость и/или демпфирование. Для выработки управляющего сигнала при таком подходе используются данные о частоте и амплитудах колебаний ротора, а конкретное его положение в подшипнике в каждый момент времени не служит основанием для выработки нового управляющего воздействия. Данный подход может применяться, например, для прохождения ротором критических частот, характеризующихся наличием резонансных явлений. Реализация такого подхода не требует столь высокого быстродействия системы управления, как в случае непосредственного регулирования движения ротора.
Общий принцип мехатронных опорных узлов состоит в том, что на объект управления подается управляющий сигнал посредством некоторого исполнительного устройства. Создаваемое таким образом воздействие изменяет параметры работы роторно-опорной системы в соответствии с требованиями к управляемой системе. Для создания управляющего воздействия исполнительным механизмом используются различные физические принципы. По этому признаку возможно выделить следующие основные типы решений (рис. 2):
1. Электромагнитное воздействие. В опорах, использующих данный принцип, воздействие на ротор осуществляется посредством электромагнитного поля. Создаваемая при этом сила корректирует положение ротора в опоре. Классическим примером подшипника, созданного с использованием данного подхода, является активный магнитный подвес [3].
Рис. 2. Классификация мехатронных опор роторов
2. С использованием магнитореологических свойств материалов. Данный подход основан на использовании свойства ряда материалов, обычно находящихся в жидкой фазе, изменять свои реологические свойства под воздействием магнитного поля. При использовании магнитореологических жидкостей в качестве смазочного материала подшипника скольжения появляется возможность полного или локального изменения динамических свойств смазочного слоя, что используется для регулирования параметров работы роторно-опорной системы [4].
3. Механические воздействия. К этой категории относится широкий спектр мехатронных опорных узлов, в которых для коррекции параметров работы роторно-опорной системы используются физические эффекты, описываемые механикой и смежными областями науки.
Рассматривая подшипники жидкостного и газового трения как класс опор, которые чаще всего рассматриваются как мехатронные системы, можно выделить несколько подходов к реализации управляющих воздействий механической природы:
а) коррекция геометрии зазора между ротором и корпусом подшипника, которая осуществляется, как правило, за счет наличия подвижных элементов конструкции подшипника, соединенных с актуаторами [5];
299
б) коррекция параметров подачи смазочного материал, осуществляемая регулирующими устройствами (дроссели, регуляторы давления), установленными в тракте подвода смазочного материала [6];
в) комбинированные воздействия, формирующиеся в результате объединения указанных ранее принципов, с включением в себя подшипников разных типов и конструкций [7].
В последнем случае опорный узел может иметь комбинированную конструкцию, включающую в себя, в том числе, мехатронные элементы, то можно выделить разделение опор по роли активного подшипника в создании несущей способности опоры:
1. Активный подшипник создает основную несущую способность. В таких системах мехатронный подшипник создает всю требуемую для работы роторно-опорной системы несущую способность и производит коррекцию параметров ее работы за счет исполнительных механизмов. Примером такой опоры может служить активный магнитный или гидростатический подшипник [8].
2. Вспомогательная функция мехатронного подшипника. В таких системах основную несущую способность опоры создает подшипник, работающий в паре с активным. Мехатронный же подшипник выполняет только функцию коррекции параметров работы роторно-опорной системы. В ряде случаев такое разделение функционала позволяет упростить конструкцию каждого из подшипников и повысить качество работы системы в целом. Примером такой опоры может служить решение, описанное в [9].
Одной из ключевых особенностей, отличающих мехатронные опоры от пассивных, является наличие актуаторов, при помощи которых реализуется выдача управляющих воздействий на объект управления. В таких опорах применяются различных типы исполнительных механизмов, которые можно разделить на несколько типов по физическим принципам создания управляющих воздействий:
1. Механические актуаторы с электромагнитным приводом. Такие приводы наиболее дешевы, однако повышенная инерционность по сравнению с другими типами приводов ограничивает их применение в быстродействующих системах.
2 Механические актуаторы с пьезоэлектрическим приводом. Такие приводы обладают значительно большим быстродействием по сравнению с предыдущей категорией, однако отличаются малыми диапазонами перемещений, что также может ограничивать их применимость в ряде случаев.
3. Электромагнитные актуаторы. Не являются актуаторами в прямом понимании этого термина, являясь, по сути генераторами электромагнитного поля, которое, в свою очередь, приводит к появлению силовых воздействий на объект управления за счет различных физических явлений. Практически не ограничены по быстродействию, но имеют ограниченный спектр применений в мехатронных опорах роторов.
300
В большинстве случаев мехатронные опоры имеют ограничения по применимости в зависимости от условий и параметров работы роторной машины. В случае, если перед активными опорами стоит задача непосредственного контроля положения ротора в подшипнике, лимитирующим фактором часто выступает частота вращения роторной машины в совокупности с частотными характеристиками исполнительных механизмов активных опор. Это обусловлено способностью таких механизмов обеспечивать достаточную частоту и амплитуду управляющего воздействия, учитывая, что отклонения в регулируемой системе зачастую изменяются с частотой, соразмерной частоте вращения ротора.
Одним из путей снижения уровня вибрации в роторных машинах, повышения ресурса, надежности и энергетических характеристик, а также обеспечения возможности работы на закритических режимах является применение упругодемпферных опор (УДО). В зависимости от принципа действия могут быть механическими (конструкционное трение), гидравлическими, гидродинамическими, электромагнитными. Перспективным направлением повышения эффективности работы УДО может быть разработка на их основе управляемых устройств, которые могут изменять свои параметры в процессе функционирования для подстройки под текущие режимы работы роторной системы. Так, одним из вариантов мехатронных УДО является опора, в которой для коррекции характеристик используются магнитореологические жидкости. За счет изменения вязкостных свойств таких жидкостей могут корректироваться параметры демпфирования опоры. В качестве актуаторов в таких устройствах используются генераторы электромагнитного поля, обычно катушки индуктивности. Могут использоваться и иные принципы коррекции параметров опоры, например, за счет введения в их конструкцию пневмогидравличских, пьезоэлектрических или электромагнитных успокоителей [10-12]. Мехатронная УДО может работать не только в режиме непрерывного управления демпфирующими свойствами, но и в релейном режиме, при котором опоре присущи два непересекающихся состояния: с наличием и с полным отсутствием демпфирующих свойств. Такие системы применяются для прохождения критических частот вращения роторов. Примером такой опоры является разработка [13]. В ней включение и отключение демпфирующих свойств осуществляется посредством пьезоэлектрического актуатора.
Другими важнейшими элементами агрегатов вращения являются уплотнительные узлы, которые помимо своей основной функции по герметизации полостей вносят вклад в создание грузоподъемности и динамические характеристики. Эксплуатационные параметры таких машин как насосы, компрессоры, детандеры во многом зависит от эффективности работы применяемых уплотнений. Основными направления развития уплотни-тельной техники является повышение перепадов давления на входе и выходе уплотнения, обеспечения заданного ресурса, минимального влияния
301
на динамическую устойчивость [14]. В последнее время увеличивается количество научных работ в направлении создания мехатронных уплотнений, в которых вводится функция контроля утечек [15], управления зазором [16], управления физико-механическими характеристиками запорной жидкости [17]. Многообразие конструкций уплотнительных устройств обуславливает их сложную иерархическую классификацию [18 - 20], в которой отсутствует отражение существующих тенденций создания мехатронных уплотнений. Авторами предлагается дополнение к общей классификации с выделением направлений совершенствования уплотнительной техники для агрегатов вращательного движения новых поколений (рис. 3).
Рис. 3. Классификация мехатронных уплотнений
Мехатронные элементы роторных систем позволяют получать такие их свойства, которые были бы недостижимыми при использовании традиционных пассивных систем, поскольку позволяют целенаправленно корректировать параметры их функционирования даже при выходе из расчетных режимов работы. Полученная классификация показывает, что видны множественные способы управления параметрами функционирования роторных систем с использованием традиционно применяющихся в их конструкциях элементов. Результаты исследования показывают, что в качестве перспективного направления совершенствования таких устройств можно выделить расширение спектра их функциональных возможностей, повышение быстродействия и динамических свойств исполнительных устройств, входящих в их состав, а также повышение качества функционирования путем разработки более совершенных алгоритмов управления.
Исследование выполняется в рамках проекта РНФ №16-19-00186 «Планирование оптимальных по расходу энергии траекторий движения роторов мехатронных модулей в средах сложной реологии».
Список литературы
1. Maslen E. H. Smart machine advances in rotating machinery // 9th International Conference on Vibrations in Rotating machinery, IMechE, Exeter, UK, 2008. С. 3-14.
2. Ереско С.П., Шатохин С.С. Исследование незамкнутой адаптивной гидростатической опоры с независимым плавающим регулятором // Вестник СибГАУ. 2011. № 4. С. 30-34.
3. Журавлев Ю.Н. Активные магнитные подшипники. Теория, расчет, применение. СПб.: Изд-во Политехника. 2003. 208 с.
4. J. Hesselbach, C. Abel-Keilhack. Active Hydrostatic Bearing With Magneto-Rheological Fluid // Journal of Applied Physics V. 93. № 10. 2003. С. 8441-8443.
5. A. Wu, Z. Cai. Model-Based Control of Active Tilting-Pad Bearings // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. Louisiana. № 12. 2008. С. 689695.
6. Шутин Д.В., Савин Л.А. Моделирование активных радиальных гидростатодинамических опор // Известия ЮЗГУ. Серия: Техника и технологии. 2012. № 1. С. 54-60.
7. Патент US № 20050275300. Methods of controlling the instability in fluid film bearings / Aly El-Shafei. Опубл. 18.09.2008.
8. Habermann H., Liard G. An active magnetic bearing system // Precision Engineering, изд. 3. 1980. С. 139-140.
9. Савин Л.А., Соломин О.В. Моделирование роторных систем с опорами жидкостного трения. М.: Машиностроение-1. 2006. 444 c.
10. Белоусов А.И. Теория и проектирование гидродинамических демпферов опор роторов. Самара: Изд-во СНЦ РАИ. 2002. 335 с.
11. Кельзон А.С. Динамика роторов в упругих опорах. М.: Наука. 1982. 280 с.
12. Сергеев С.И. Демпфирование механических колебаний. М.: Физматгиз. 1959. 408 с.
13. Патент РФ № 117913. Упругодемпферная опора ротора с активным управлением / Л.А. Савин, М.В. Бычков, А.В. Корнаев, С.В. Майоров, А. А. Попиков. Опубл. 10.11.2015. Бюл. № 31.
14. Темис Ю.М., Селиванов А.В., Дзева И.Ю. Комплексный анализ перспективных уплотнительных систем // Новые технологические процессы и надежность ГТД. Вып. 9. Подшипники и уплотнения: сборник статей под ред. Ю.А. Ножницкого и Н.И. Петрова. М. 2013. С. 179-203.
15. Freudenberg Sealing Technologies is the world's leading market and technology specialist [Электронный ресурс] // About Freudenberg Sealing Technologies, in sealing technology. № 1. Режим доступа: URL: https://www.fst.com/company/company-profile (дата обращения: 01.12.2016).
16. Патент РФ № 81544. Тандемное уплотнение с активным электромагнитным регулированием зазоров / А.В. Андрианов, А.М. Ахметзя-нов, Я.З. Гузельбаев, И.Г. Хисамеев. Опубл. 20.03.2009. Бюл. № 8.
17. Патент РФ № 122561. Магнитожидкостное уплотнение / Ю.О. Михалев, С.Г. Лысенков. Опубл. 20.04.2003. Бюл. № 9.
18. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Л. А. Кондаков, А.И. Голубев, В.В. Гордеев; Под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова; 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1994. 448 с.
19. Марцинковский В. А. Бесконтактные уплотнения роторных машин. М.: Машиностроение. 1980. 200 с.
20. Фалалеев С.В., Чегодаев Д.Е. Торцовые бесконтактные уплотнения двигателей летательных аппаратов: Основы теории и проектирования. М.: МАИ. 1998. 276 с.
Савин Леонид Алексеевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, savin@ostu.ru, Россия, Орёл, Орловский государственный университет им И. С. Тургенева,
Поляков Роман Николаевич, канд. техн. наук, доц., romanpolak@,mail.ru, Россия, Орёл, Орловский государственный университет им И. С. Тургенева,
Шутин Денис Владимирович, канд. техн. наук, rover. ru@,gmail. com, Россия, Орёл, Орловский государственный университет им И.С. Тургенева,
Кузавка Александр Валерьевич, асп., kuzavka.net@,mail.ru, Россия, Орёл, Орловский государственный университет им И.С. Тургенева
MECHA TRONIC DEVICES IN ROTA TING MACHINERY L.A. Savin, R.N. Polyakov, D. V. Shutin, A. V. Kuzavka
The paper describes results of the analysis of trends in applying mechatronic technologies to rotating machinery. The main principles on which the functioning of mechatronic bearings, seals and dampers is based are considered. The classification of mechatronic devices based on physical principles of generating control actions is shown. The perspective directions of research in this field are overviewed.
Key words: rotating machinery, active bearings, mechatronic devices, classification, adaptation.
Savin Leonid Alekseevich, doctor of technical science, professor, head of department, savin@ostu.ru, Russia, Оryol, Oryol State University named after I.S. Turgenev,
Polyakov Roman Nikolaevich, candidate of technical science, docent, romanpo-lak@mail.ru, Russia, Оryol, Oryol State University named after I.S. Turgenev,
Shutin Denis Vladimirovich, candidate of technical science, research engineer, rover. ru@,gmail. com, Russia, Оryol, Oryol State University named after I.S. Turgenev,
Kuzavka Aleksandr Valerievich, postgraduate, kuzavka.net@,mail.ru, Russia, Оryol, Oryol State University named after I.S. Turgenev
