CC BY
17
EXPERIMENTAL SUBSTANTIA TION OF THE POSSIBILITY OF DETERMINING BREA THING STOPS ON A SIGNAL FROM GREES
A. V. Prohortsov, M.B. Bogdanov, A.N. Senin
The possibility of determining a person's respiratory parameters including respiratory arrest, the signals mikromehinicheskih angular rate sensors are experimentally demonstrated.
Key words: breathing, apnea, an angular velocity sensor, a Butterworth filter.
Prohortsov Alexey Vjacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, prox-av@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Bogdanov Maxim Borisovich, candidate of technical sciences, docent bmb 75@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Senin Artem Nikolaevich, student, _proxav@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТРАНЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ ВАЛОПРОВОДОВ
ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ
АГРЕГАТОВ
С.М. Белобородов, Д.М. Цимберов
Показано, что задача качественного технологического обеспечения высокоскоростных валопроводов газоперекачивающих агрегатов возникающая вследствие эпизодических внешних дисбалансирующих воздействий может быть решена за счет резерва динамической устойчивости валопровода с учетом конструкторских и технологических особенностей роторов и их валов.
Ключевые слова: турбоагрегат, валопровод, ротор, компрессор, дисбаланс
Предприятия-изготовители стремятся создать технологическое обеспечение сборки агрегатов, которое позволяет повысить качество изготовления, сервисного обслуживания с наименьшими затратами.
В настоящее время требования к газоперекачивающим агрегатам резко возрастают в связи с необходимостью импортозамещения эксплуатации агрегатов в сложных климатических условиях.
В целях удовлетворения требований к агрегатам подсистемы технологического обеспечения организовывают управление производственным процессом, выявляют технологические операции неэффективные (с технической или экономической точек зрения) и с помощью программного обеспечения устраняют сбои в системе.
32
С этой целью и проводится мониторинг уровня виброактивности турбоагрегата на всех стадиях технологического процесса. Особо контролируется основной источник виброактивности - валопроводы. Опыт эксплуатации турбоагрегатов показывает, что в 90 процентах случаев аварийное воздействие на валопровод оказывает ротор.
В конструкциях современных высокоскоростных валопроводов предусматриваются два - три ротора.
На валопровод предприятием - изготовителем в технических требованиях определяется перечень требований. Программное обеспечение и лица проводящие контроль технологических операций, так же должны анализировать и своевременно принимать меры к устранению проектно-конструкторских ошибок и технологических просчетов.
Стандарт [1] предполагает, что эксцентриситет масс роторов турбоагрегатов с частотой вращения выше 150 Гц не должен превышать 2 мкм. Ротор кроме определенной уравновешенности, которое может быть обеспечено расчетным количеством плоскостей. То есть балансировочные и рабочие оси роторов должны быть соосны и обеспечены нормы точности в соответствии с технической документацией.
Анализ испытаний турбоагрегатов показывает, что перекос осей не должен превышать 0.2 мрад. Это требование служит цели снижения вибронагрузок на гибкие элементы трансмиссий. При мониторинге необходимо помнить, что такое техническое условие не предназначено для снижения вибраций валопровода.
В трудах известных технологов-машиностроителей [2,3,4] содержится достаточно примеров изменения динамического состояния деталей типа ротор. Описаны и последствия дисбаланса: изменение формы вала и других элементов валопровода в местах повышенных напряжений, изменение структуры поверхностей в узлах трения. Причиной таких изменений могут быть процессы приработки деталей и негативные факторы эксплуатации турбоагрегата в целом.
При организации технологического обеспечения сборки компрессоров газоперекачивающих агрегатов с неприятной периодичностью специалисты сталкиваются с превышением уровня вибрации, требующей останов агрегата из за его неисправности. В этом случае уровень вибрации меняется неожиданно, что не позволяет принять обслуживающим персоналом какие ни будь превентивные меры. Анализ выхода из строя компрессоров такого типа показывает [5], что причинами произошедшего являются попадание в проточную часть не предусмотренного конструкцией количества твёрдых примесей газа и осевших на поверхность ротора. Общая масса примесей составляет от 0.5 до 3 кг, что значительно нарушает технические требования предъявляемые предприятием- изготовителем.
В настоящее время ряд производителей компрессоров в их конструкции закладывают значительный резерв работоспособности позволяющий сохранять высокую надежность при возрастании виброактивности ротора. То есть динамическая устойчивость ротора и компрессора в целом оказывается высока.
Классическое понимание описанной ситуации содержится в теореме Ден-Гартога [6]: динамическая устойчивость ротора может быть обеспечена таким образом, чтобы количество плоскостей коррекции дисбаланса было не менее четырех.
При устранении аварийной ситуации балансировка вала ротора проводилась относительно поверхностей А и Б по двум плоскостям В и Г (рисунок). Такой подход применим к роторам, имеющим достаточный запас жесткости на всех участках конструкции. Но его применение к гибким роторам не рационально. Практика показывает ошибочность таких технологических решений. Такие конструкторские решения не позволяют в полном объеме использовать имеющееся технологическое оборудование, которое может осуществлять балансировку по трем плоскостям. При балансировке по трем плоскостям эксцентриситеты участков вала и соответствующих посадочных поверхностей (рисунок) А1 - Л8 оказываются направлены в одну сторону, что, в конечном итоге, упрощает коррекцию локальных дисбалансов.
в г
Р-М IV У | Н ^ Л 5 н ■ 1 1 1 1
—■ Ч--- Л1 /4г А/ 1 1 1 1 —1— 1 —1— —1— 1 ' 1 I I 1 1 1 1 1 1 -1-1-1— -,- КдГЛ | 1 — 1 1 [ | | 1 /
- 1 1 1 —^^
Принципиальная схема уравновешивания аварийного ротора
Анализируя конструкции валопроводов, можно сказать, что вал ротора по массе составляет его большую часть. Возникающие локальные дисбалансы в месте максимальной амплитуды изменения состояния вала (участки с радиальным биением Л4 - Л6 ) устранить сложно. Приведение локальных дисбалансов, находящихся на консольных частях и уравнове-
34
шенных локальными дисбалансами соприкасаемых участков, к техническим условиям, не рассматривалось на практике, но во время эксплуатации они создают значительный изгибающий момент сил. Балансировка производимая в таких условиях провоцирует резкое повышение виброактивности от любого не предусмотренного технологом внешнего воздействия.
Внешние воздействия, вызывающие дисбаланс такого рода, провоцируются не только забросом примесей, недостаточной конструкторской проработкой трансмиссии, монтажным дисбалансом вала свободной турбины двигателя.
Как известно, трансмиссия является сложным ротором, в состав которой входят три вала. На практике последовательная балансировка элементов трансмиссии при сборке позволяет уравновесить турбоагрегат до точности 01, что, собственно, и требует стандарт [1]. Но в процессе монтажа уравновешенность значительно меняется. Анализ эксплуатации газоперекачивающих агрегатов показывает, что при сборке агрегата эксцентриситет оказывается от 30 до 50 мкм. Если считать жесткость вала идеальной, то удельная доля массы трансмиссии в 70 кг на опору компрессора приводит к дополнительному дисбалансу от 1500 ддо 3500 г*мм. А общий дисбаланс доходит до 7500 г*мм.
В соответствии с конструктивными особенностями турбоагрегата в последнее время проводится двойная термообработка валов при их изготовлении, это делается для обеспечения стабильности формы. В связи с этим посадочные поверхности вала оказываются достаточно технологичными и при измерении радиальных биений на различных этапах жизненного цикла изделия практически не меняются. Двухплоскостная проверка дисбалансов на балансировочном станке показала точность, соответствующую 01.
Исходя из изложенного, видно, что уравновешенность ротора при аварийной ситуации высокоскоростного валопровода газоперекачивающего агрегата не во всех случаях влияет на его виброактивность. Но на динамическую устойчивость повлиял ряд факторов: перекосы осей, недостаточная коррекция монтажных дисбалансов при проведении технологических операций и заброс в проточную часть ротора твердых примесей, не соответствующие техническим требованиям.
Таким образом, необходимо решить следующую задачу:
1общ = Х|л ! ® т^ (1)
где I - локальный дисбаланс 1-й части валопровода; I общ. нач - общий начальный локальный дисбаланс; I общ - общий локальный дисбаланс,
1 общ — 201 общ.нач
Исходя из математической постановки задачи, необходимо отметить, что нужно обеспечить виброустойчивость, которая бы сохраняла работоспособность турбоагрегатов при увеличении дисбаланса в 15 - 20 раз.
Решение задачи имеет следующую методическую последовательность.
1. Конструктивно определить места оптимального положения плоскостей коррекции.
2. Определить последовательность ступенчатой многополостной балансировки ротора.
3. Создать или адаптировать существующую методику коррекции локальных монтажных дисбалансов трансмиссии не менее чем по четырем плоскостям.
Монтажная неуравновешенность может быть выражена в виде функции погрешностей 5, и у,, где главный вектор и момент дисбалансов
ротора [7]
N , л , л N N
и = I uf5>J + ; = I ; = I шкъ]к ; (2) ,=1 к=1 к=1
V = + ; (3)
(о) N1 N1
где V >= I &кс,к + тка,ккк; , = I ,к + щЬ,кИк, (4)
к=1 к=1
где тк - масса детали; ©к = ^гк - ^хк; Лп (хк), Лп'(хк) - смещение и поворот к-й детали по п-й собственной форме колебаний; Ик = Г(хск - хс) -радиус-вектор, характеризующий положение центра масс детали относительно центра масс ротора; N1 - общее число узлов и деталей ротора.
Значения дисбалансов, измеряемые в двух плоскостях коррекции А и В при низкочастотной балансировке, выражаются следующим образом:
и а = I + и^у,; и %) = и ^ (1 -Сх/С 2) - Vfl С 2; (5) ,=1
ив = ^В, + иВ})у,; и^ = vf/ С 2 - иИ (С1/С2), (6) ,=1
где иА, и иВу) выражаются аналогично через vj(У) и и,); С1, С2 - расстояния от плоскости коррекции А до центра масс ротора и между плоскостями коррекции.
Значения дисбаланса по п-й собственной форме изгибных колебаний ротора:
Kn = NK % >S j + Ki]) gj; j=1
( ) N1
к(П = Z mka jkhn (xk)+Qkc jk hn' (xk); (7)
( ) N1
Kjn = Z jk hn (xk) + jk hn' (xk ) k—1
Анализируя кривые динамического прогиба ротора, можно определить целесообразное положение балансировки вала. Динамический изгиб вала снижается при коррекции дисбалансов в местах экстремумов. Но это справедливо с учетом образующегося вектора сил, способных увеличить изгиб ротора.
При уравновешивании ротора одним из предлагаемых технологических решений является проведение ступенчатой балансировки в тех плоскостях этих локальных дисбалансов.
Таким образом, сбой в работе газоперекачивающего агрегата, произошедший вследствие внезапного возникновения дисбаланса, должен безусловно, преодолеваться. Для этого должен быть обеспечен резерв динамической устойчивости валопровода. Целесообразное положение плоскостей коррекции можно заранее просчитать, исходя из динамического прогиба ротора. Резерв динамической устойчивости может быть создан проведением многоплоскостной балансировки роторов и их валов с учетом их конструкторских и технологических особенностей.
Список литературы
1. American Petroleum Institute Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressors - Eighth Edition N STD 617.
2. Макаров В.Ф, Белобородов С.М, Ковалев А.Ю. Технологическое обеспечение сборки роторов по заданным параметрам // Наукоемкие технологии . 2012. № 11. С. 42 - 48.
3. Безъязычный В.Ф. Расчетное определение технологических условий обработки, обеспечивающих заданную контактную жесткость сопрягаемых поверхностей // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2014. № 58. С. 9 - 15.
4. Моделирование эксплуатационных процессов в технических системах: монография / под ред. А.В. Киричека. М.: Издательский Дом «Спектр», 2014. 240 с.
5. Белобородов С.М. Методические аспекты обеспечения виброустойчивости валопровода агрегата // Компрессорная техника и пневматика. 2009. № 7. С. 13 - 15.
6. Ден - Гартог Д.П. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1960. 574 с.
7. Моделирование технологических процессов механической обработки и сборки: монография / под ред. А.В. Киричека. Т. II. М.: Издательский Дом "Спектр", 2014. 336 с.
Белобородов Сергей Михайлович, д-р техн. наук, начальник отдела, helohorodoffa yandex.ru, Россия, Пермь, Научно-производственное объединение «Искра»,
Цимберов Дмитрий Михайлович, канд. воен. наук, доц., начальник кафедры, ka-/ana6a narod.ru, Россия, Пермь, Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации
TECHNOLOGICAL PROVIDING OF REMOVAL OF CRASH OF SITUATIONS OF HIGH-SPEED PROPSHAFT OF GASCOMPRESSOR UNITS
S.M. Belohorodov, D.M. Tsimherov
The task of the quality technological providing of high-speed propshafts of gascom-pressor units arising up in investigation of episodic external not balancing influences can he decided due to reserve of dynamic stahility ofpropshaft taking into account the technical features of rotors and their hillows.
Key words: pumping over aggregate, propshaft, rotor, compressor, dishalance.
Belohorodov Sergey Mikhajlovich, doctor of engineering sciences, chief of department, helohorodoffa yandex.ru, Russia, Perm, The Scientific and production association is "Iskra",
Tsimherov Dmitriy Mikhailovich, candidate of soldiery sciences, associate professor, chief of chair, katana6@ narod.ru, Perm military institute of internal troops of National household troops of Russia.
