CC BY
73
УДК 621.8; 621.822.1; 62-251
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАТРОННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЛЕПЕСТКОВЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ
А.В. Сытин, А.Ю. Родичев, А.В. Кузавка
Рассматривается мехатронная установка для исследования лепестковых газодинамических подшипников, которая представляет собой мехатронную систему, состоящую из: лепесткового газодинамического подшипника, регистрирующей части, электромагнитных актуаторов и электронной системы управления. Разработка ме-хатронной экспериментальной установки включает в себя построение структурно-функциональной схемы, компоновку регистрирующих и управляющих систем. В разрабатываемой конструкции реализовано активное управление, которое необходимо для отслеживания траектории движения, непосредственно связанной с критическими прогибами опорной поверхности, а также своевременного воздействия на управляемый объект. Управляемым объектом является полый ротор, вращающийся в лепестковых газодинамических подшипниках. Установка комплектуется универсальной и гибкой измерительной системой.
Ключевые слова: мехатронная система, магнитный подвес, ротор, упругий элемент, подшипниковый узел, установка, технология, датчик.
Увеличение частоты вращения ротора позволяет избежать значительного увеличения массогабаритных характеристик турбоагрегата, при повышении производительности, что особенно важно для нестационарных установок. Вместе с тем, повышение частоты вращения валов в подшипниках скольжения ограничивается большими потерями на трение и ростом температуры, которые сильно возрастают с ростом окружной скорости. Быстроходные подшипники скольжения приходится снабжать громоздкими охлаждающими устройствами. Поэтому эффективным путем повышения предельной частоты вращения является использование смазочных материалов с малой вязкостью. Очевидно, что наибольшие скорости могут быть достигнуты с помощью газовой, преимущественно воздушной смазки. Поскольку газовые подшипники могут обеспечить машинам высокий срок службы, и сокращение массы и габаритов, становится очевидной перспективность их применения [1, 2]. Известно, что предельная быстроходность подшипников качения существенно снижает возможность их применения в высокоскоростных турбомашинах с рабочими частотами вращения
(30...100>103 об./мин и более.
Смазочный слой в лепестковых газодинамических подшипниках (ЛГДП) образуется между валом и одним или несколькими гибкими тонкими лепестками толщиной 0,1.0,5 мм, имеющих на поверхности, обращенной к валу антифрикционное покрытие. Между этими лепестками и корпусом подшипника устанавливаются дополнительные тонкостенные
12
элементы, предназначенные для создания необходимых характеристик жесткости и демпфирования. Силы трения, возникающие при работе в зонах контакта между лепестками, между лепестками и корпусом, а также силы упругой деформации лепестков рассеивают энергию колебаний ротора и улучшают динамические характеристики машины, позволяют достигать высоких частот вращения. Податливость лепестка позволяет обеспечить чрезвычайно малые зазоры между цапфой и опорной поверхности на большой площади и получить несущую способность, достаточную для многих высокооборотных турбомашин различного назначения [3, 4].
Традиционные лепестковые подшипники принципиально не могут быть использованы для решения ряда сложных технических задач. Происходит это в тех случаях, когда, потенциально невозможно сохранить герметичность, например, в условиях глубокого вакуума, или требуется обеспечить устойчивую работу при сверхвысоких частотах вращениях ротора. Одним из эффективных способов обеспечения устойчивого движения ротора является активное управления реакцией опор. Впервые этот принцип был реализован в электромагнитных подшипниках, которые следует рассматривать как мехатронную систему с автоматическим измерением величины и направления реакции опоры. Это связано с объективными достоинствами активных магнитных подшипников (АМП), быстрым развитием силовой электроники и информационных технологий. По сути дела АМП представляют собой мехатронные устройства, в которых стабилизация положения ротора осуществляется действием электромагнитов, ток в которых регулируется системой автоматического управления по сигналам датчиков радиальных или осевых перемещений ротора [5, 6].
На рис. 1 представлена структурная схема экспериментальной ме-хатронной установки для испытания лепестковых газодинамических подшипников.
Рис. 1. Структурная схема мехатронной установки для испытания лепестковых газодинамических подшипников
13
Оператор, управляя ПК задает первоначальные параметры. ПК вырабатывает управляющий сигнал и передает его на вход частотного преобразователя. В частотном преобразователе входное напряжение 220В / 380В (при частоте 50 Гц) трансформируется в импульсное выходное, частота которого составляет от 0 до 400 Гц. Электрошпиндель в свою очередь плавно раскручивает вал до значения, заданного оператором. Датчик положения 1, и частотные датчики снимают показания и передают их на АЦП, датчики положения 2 снимают показания с лепестков ЛГДП и отправляют на блок управления электромагнитом. Блок управления электромагнитом получает сигнал с датчика положения 2, вычисляя по полученным данным текущие значения измеряемых величин и выдает соответствующие значение на выходное устройство и отправляет на реле постоянного тока которое в свою очередь воздействует на электромагнит.
Применение активного управления в ЛГДП позволяет расширить их область применения, поскольку делает возможность быстрого реагирования на непредвиденные ситуации [7]. С минимальным, на данный момент, запаздыванием производится оценка траектории движения и непосредственное электромагнитное воздействие на ротор. В общем виде ЛГДП с активным управлением представляет собой мехатронную систему, состоящую из: лепесткового газодинамического подшипника, регистрирующей части (датчики перемещения), электромагнитных актуаторов и электронной системы управления (рис. 2).
Рис. 2. Схема активного управления в ЛГДП
Принцип работы такой опоры заключается в следующем: отклонение ротора от положения равновесия фиксируется датчиками перемещения 1 и 2. Сигнал с датчиков поступает в электронную систему управления, где по заданному алгоритму происходит его обработка. После получения результата величины отклонения, усилитель, питаемый от внешнего источника энергии, увеличивает или уменьшает сигнал до необходимого уровня и подает его на электромагниты 3, которые воздействуя на ротор корректируют его траекторию движения.
На основании данной концепции была разработана экспериментальная установка, представленная на рис. 3.
Рис. 3. Экспериментальный стенд
Основанием установки служит станина, имеющая ряд отверстий для позиционирования сборочных единиц. На станине установлен электрошпиндель типа ТМРЕ3 12/2 с цанговым зажимом, передающий крутящий момент через муфту на ротор экспериментальной установки. Кроме этого установка имеет два подшипниковых узла, в каждом из которых расположены по одному лепестковому подшипнику, которые имеют отверстия под установку датчиков, для определения прогиба лепестка. На расположенной рядом стойке закреплены сенсорные узлы, позволяющие отслеживать положение ротора в реальном времени. Между двумя подшипниковыми узлами расположен магнитный подвес, служащий стабилизатором положения ротора во время пуска и останова экспериментального стенда.
Подшипниковый узел представляет собой две металлические опоры с элементами фиксации и посадочным местом для установки лепесткового ГДП, которые обеспечивают его надежное крепление (рис. 4).
15
Рис. 4. Подшипниковый узел с лепесктковым газодинамическим
подшипником
В центре экспериментальной установки находится электромагнитная система нагружения. На рис. 5 представлен эскиз магнитного подвеса. Монтаж основных деталей подвеса осуществляется на станине. Опоры имеют пазы для крепления сердечников на которые в свою очередь крепятся катушки электромагнитов ПМЕ-211.
Рис. 5. Система электромагнитного нагружения
Ротор, установленный на лепестковые газодинамические подшипники с активным магнитным подвесом, представляет собой сложную систему с большим количеством различных управляющих параметров. Диапазоны изменения каждого из них теоретически неограниченны. По этой
причине проведение полномасштабных экспериментальных исследований, наиболее полно отражающих реальное состояние роторной системы, представляется возможным с применением современных информационно измерительных комплексов на базе высокопроизводительных компьютерных платформ [8].
Скорость протекания процессов и необходимая частота опроса делает невозможным использование контактных методов съема информации с быстро движущихся объектов, оказывая воздействие на динамику их движения. Традиционные методы измерений не всегда применимы для изучения вышеупомянутых процессов, в результате чего возникает необходимость в специализированном оборудовании для постановки натурных и модельных экспериментов и проведении диагностических работ. Реализовать измерительную систему со всеми вышеперечисленными свойствами представляется возможным с применением измерительных платформ различных производителей. Наиболее универсальной и гибкой измерительной системой является комплекс, построенный на базе комплектующих National Instruments и программного продукта Labview. Данная система опирается на современные компьютерные технологии в комбинации с гибким программным обеспечением и модульным высокопроизводительным оборудованием, интегрируемым в ЭВМ. Программное обеспечение Labview является средой графического программирования для сбора, обработки и представления экспериментальных данных, а также непосредственного управления различным оборудованием экспериментального стенда. Данный язык является мощным инструментом программирования, пригодным для решения практически любых задач математического моделирования и управления производственными процессами [9, 10].
Одной из важных и неотъемлемых частей спроектированной установки является лепестковый газодинамический подшипник (рис. 6).
Крепление лепестка
Рис. 6. Лепестковый газодинамический подшипник
17
Лепестковые газодинамические подшипники имеют относительно простую конструкцию и принцип работы. Несущую поверхность подшипника образуют тонкие упругие металлические пластины. На поверхность пластин наносится антифрикционное покрытие с низким коэффициентом трения, которое «смазывает» подшипник при пуске, пока вал не может вращаться достаточно быстро, чтобы между ним и подшипником образовался воздушный клин. По мере увеличения частоты вращения ротора газовый слой полностью разделяет рабочие поверхности ротора и подшипника. Рост скорости сопровождается увеличением несущей способности подшипника.
Основой лепесткового газодинамического подшипника является стальная втулка, в пазах которой закреплены упругие рабочие элементы (лепестки). Втулка изготовлена из стали марки 20Х ГОСТ 4543-71. К внутренней поверхности предъявляются повышенные требования по точности взаимного расположения к торцевым поверхностям, и качеству поверхности (Ra 1,6 для внутренней поверхности). Втулка представляет собой цилиндрическую поверхности диаметром 0 60 мм (рис. 7,а). На этом диаметре имеются 8 отверстий с резьбой М10х1, которые позволяют закрепить датчики прогиба лепестка в осевом направлении, втулка так же имеет 8 отверстий радиусом 6, что позволяет крепить лепестки газодинамического подшипника (рис. 7, б).
1,5*--\—
^ юл
\ 3 2 радиуса
\StQ1
22'Я
Й2
аг
а
б
Рис. 7. Элементы конструкции лепесткового подшипника: а - втулка; б -упругий элемент (лепесток)
Технология изготовления лепестка является сложной задачей, требующей постоянного принятия новых и корректировки старых технологических процессов [11]. Изготовление упругого элемента (лепестка) заключается в следующем: из специального материала нарезают заготовки (рис. 8, а). Из заготовок вырезают рабочие элементы, формируют рабочий профиль лепестка (рис. 8, б, в), после этого следует термообработка и очище-
18
ние заготовки от стружки и примесей, далее происходит нанесение на поверхности лепестка покрытия и окончательная обработка. Одной из важных операций при изготовлении лепестка является его деформация [12]. Гибку лепестков проводят как ручным способом (используя матрицы), так и автоматизированным с помощью оборудования.
а б в
Рис. 8. Схема технологического процесса изготовления лепестка
На рис. 9 представлен технологический процесс деформации лепестка по необходимым геометрическим параметрам.
г д
Рис. 9. Технологический процесс деформации лепестка: а - заготовка; б - приспособление (матрица); в - установка лепестка в матрицу; г - обжатие лепестка; д - проверка радиуса кривизны;
е - готовый лепесток
Лепестковые газодинамические подшипники в процессе изготовления предполагают химико-термическую обработку и нанесение специальных покрытий. Технологически решение этой проблемы заключается в нанесении ультратонких смазочных пленок. В зависимости от толщины покрытия пленки применяют не только для создания устройств микроэлек-
19
троники, но и в целях защиты от коррозии, повышения износостойкости и улучшения режущих свойств инструмента. Существует множество методов нанесения тонких покрытий:
метод титрованного раствора; метод Блоджет — Ленгмюра; метод окунания; метод адсорбции паров; метод ионного распыления;
Главным условием работы лепестковых газодинамических подшипников является прогиб опорной поверхности в пределах упругой деформации [13]. Дальнейшее превышение прогиба, из-за недостаточной жесткости опорной поверхности, приводит к нарушению работоспособности подшипника и всего роторно-опорного узла [14]. Активное управление необходимо для отслеживания траектории движения, непосредственно связанной с критическими прогибами опорной поверхности, а также своевременного воздействия на управляемый объект. Таким образом, задача активного управления сводится к следующему условию [15]
' п ^ —*■ _ —*■
Мщ + X мцх] V j =1 у
< [Мпр 1'=1,2."и
пр 1ч=1,2...п >
где М^ц - составляющая значения контролируемого параметра в ¿-ой точке, возникающая под действием внешнего воздействия ц; М^ - составляющая значения контролируемого параметра в ¿-ой точке, возникающая под действием единичного управляющего воздействия Х/=1; Xj - управляющее воздействие; [Мпр ] - предельно-допустимые значения М^ц в контрольных точках; т - число контрольных точек; п - число управляющих воздействий (актуаторов).
Применение системы активного управления требует введения в математическую модели дополнительных компонентов, учитывающих работу системы управления. Поскольку решение уравнений в процессе моделирования ЛГДП предполагает решение дифференциальных уравнений итеративными методами, учет активного управления будет выражаться в изменении начальных условий для каждой из итераций в соответствии с данными, полученными на выходе математической модели системы управления. Повышение уровня управляемости конструкций, основанное на синтезе механики, электроники и информационных технологий, следует рассматривать как объективную закономерность развития техники. Результатом такого развития являются технические устройства нового класса, представляющие собой деформируемые системы с переменными управляемыми параметрами.
Представленные исследования выполнены в рамках проекта 9.2952.2017/ПЧ проектной части государственного задания «Создание многофункционального лабораторно-методологического комплекса общеинженерной подготовки».
Список литературы
1. Ермилов Ю.И., Равикович Ю.А. Экспериментальное определение предельной несущей способности осевых лепестковых газодинамических подшипников малоразмерных высокоскоростных турбомашин // Вестник МАИ. 2008. №3. Т. 15. C. 74-82.
2. Ермилов Ю.И. Теоретическое и экспериментальное определение предельной несущей способности осевых лепестковых газодинамических подшипников: дис. канд. техн. наук: 05.07.05 / Ермилов Юрий Иванович. Орёл, 2005. 157 с.
3. Пешти Ю.В. Газовая смазка. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993.
382 с.
4. Хешмет Х., Уоловит Дж. А., Пинкус О. Анализ газового ленточного радиального подшипника // Проблемы трения и смазки. 1983. Т. 105. №4. С. 124-132.
5. Habermann H., Liard G. An active magnetic bearing system // Precision Engineering. Vol. 2, Issue 3, 1980. P. 139-140.
6. Bleuler H., Vischer D., Schweitzer G., Traxler A., Zlatnik D. New concepts for cost-effective magnetic bearing control // Automatica. Vol. 30, Issue 5, 1994. P. 871-876.
7. An Wu, Zhijun Cai, de Queiroz M.S. Model-Based Control of Active Tilting-Pad Bearings. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2008. P. 112122.
8. Савин Л.А., Соломин О.В. Моделирование роторных систем с опорами жидкостного трения. М.: Машиностроение-1, 2006. 444 c.
9. Шутин Д.В., Савин Л.А. Моделирование активных радиальных гидростатодинамических опор // Известия ЮЗГУ. Серия: Техника и технологии. 2012. № 1. С. 54-60.
10. Deckler D.C., Veillette R.J., Braun M.J., Choy F.K. Simulation and Control of an Active Tilting-Pad Journal Bearing // STLE Tribology Trans, 47, 2000. P. 440-458.
11. Сытин А.В. Решение комплексной задачи расчета характеристик радиальных лепестковых газодинамических подшипников: дис. канд. техн. наук: 01.02.06 / Сытин Антон Валерьевич. Орёл, 2008. 201 с.
12. Звонарев П.Н. Разработка метода расчета радиальных упругога-зодинамических подшипников с предварительно напряженными лепестками для малых турбомашин низкотемпературных установок: дис. канд. техн. наук: 05.04.03 / Звонарев Павел Николаевич. М., 2005. 201 с.
13. Александров В.М., Чебаков М.И. Введение в механику контактных взаимодействий. Ростов-на-Дону: Изд-во ООО «ЦВВР», 2007. 114 с.
14. Александров В.М., Мхитарян С.М. Контактные задачи для тел с тонкими покрытиями и прослойками. М.: Наука, 1983. 488 с.
15. Сытин А.В., Бабин А.Ю., Кузавка А.В. Применение мехатрон-ных модулей в роторных системах с подшипниками скольжения // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. № 3 (323), 2017. С. 93-101.
Сытин Антон Валерьевич, канд. тенх. наук, доц., [email protected], Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева,
Родичев Алексей Юрьевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева,
Кузавка Александр Валерьевич, асп., kuzavka.netamail.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева
PEC ULIARITIES OF DESIGN OF A MECHATRONIC TEST RIG TO STUDY FOIL GAS
DYNAMIC BEARINGS
A. V. Sytin, A.Y. Rodichev, A. V. Kuzavka
The paper considers a mechatronic test rig for the study of foil gas dynamic bearings, which is a mechatronic system consisting of: a foil gas dynamic bearing, a sensor system, electromagnetic actuators and an electronic control system. The development of a me-chatronic test rig includes the formulation of a structural-functional scheme, the layout of sensor and control systems. In the developed design, active control is implemented, which is necessary to track the trajectory of motion, directly related to critical deflections of the bearing surface, as well as to timely influence the controlled object. The controlled object is a hollow rotor, rotating in foil gas dynamic bearings. The test rig also faetures a universal and flexible measuring system.
Key words: mechatronic system, magnetic suspension, rotor, elastic element, bearing node, test rig, technology, sensor.
Sytin Anton Valerievich, candidate of technical sciences, docent, svtinamail.ru, Russia, Orel, Oryol State University named after I.S.Turgenev,
Rodichev Aleksey Yurievich, candidate of technical sciences, docent, rod-fox@yandex. ru, Russia, Orel, Oryol State University named after I.S.Turgenev,
Kuzavka Aleksandr Valerievich, postgraduate, [email protected], Russia, Orel, FGBOU VO "OGU named after I.S. Turgenev
