Спросить
Войти
DOI: 10.15593/2224-9982/2020.61.03 УДК 621.45.026.8
А.Д. Куракин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
ВЛИЯНИЕ ТРЕНИЯ НА ВИБРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РОТОРНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ЗАДЕВАНИИ РОТОРА О СТАТОР
Эксплуатация систем, в которых есть вращающиеся элементы, в определенных случаях сопряжена с возникновением контакта между вращающимися частями (ротором) и неподвижными частями (статором). Известны случаи, когда задевание ротора о статор приводило к повреждению или к полному разрушению агрегата. В связи с чем задевание ротора о статор является одной из основных проблем роторных систем.
Целью описанного в данной работе исследования является получение детальных экспериментальных данных о влиянии трения на вибрационное поведение ротора в процессе задевания ротора о статор. Приведена методика экспериментального исследования динамического поведения ротора при контакте со статором, имеющим различные фрикционные характеристики, проведена серия экспериментов и выполнен анализ экспериментальных данных, полученных при задевании стального ротора о статорные элементы, изготовленные из алюминия, бронзы и фторопласта. Все приведенные результаты в экспериментах с задеванием сравниваются с результатами эксперимента без задевания с использованием диаграмм Кэмпбелла, орбит и амплитудно-частотных характеристик.
Анализ экспериментальных данных показывает, что трение в значительной мере влияет на динамическое поведение ротора. В зависимости от величины коэффициента трения различается три основных поведения ротора: синхронное скольжение при низком значении коэффициента трения, обратное обкатывание при высоком и виброударное движение при промежуточном значении коэффициента трения.
Разработанная экспериментальная методика и полученные экспериментальные данные о динамическом поведении ротора при контакте со статором могут быть использованы для верификации и отработки расчетных методик.
A.D. Kurakin
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
EFFECT OF FRICTION ON VIBRATIONAL CHARACTERISTICS OF ROTOR SYSTEM DURING ROTOR-STATOR INTERACTION
Systems operation which include rotating elements in certain cases is associated with occurrence of contact between the rotating parts (rotor) and the stationary parts (stator). There were cases then rotor-stator interaction led to damage or to complete unit destruction. For this reason, rotor-stator interaction is one of the main problem of rotor systems exploitation.
The main aim of the work is to gather detail data about effect of friction on vibrational characteristics of rotor system during rotor-stator interaction. In this article the experimental investigation method and experimental investigation of dynamic behavior of rotor during rotor-stator interaction is presented. The analysis of experimental data obtained during interaction between steel rotor and stator made of aluminum, bronze and PTFE is presented. All results with rotor-stator contact and without were compared by using Campbell diagrams, orbits and frequency responses.
Analysis of experimental data shows that friction has strong effect on vibrational characteristics of rotor system during rotor-stator interaction. According to friction ratio three kinds of vibrational characteristics of rotor system are distinguished: forward slipping if friction coefficient is small, backward rolling if friction coefficient is big, vibratory impact motion if friction coefficient has intermediate value.
Created experimental method and gathered data about rotor dynamics during rotor-stator contact can be used for verification and tuning of mathematical models.
Введение
Роторные машины, основным узлом которых является вращающийся в опорах вал с закрепленными на нем элементами (роторная система), - обширный класс машин тяжелого машиностроения, энергетики, двигателе-строения, приборостроения. Снижение вибрации роторных машин - необходимое условие их надежной и безопасной эксплуатации [1].
При детальном рассмотрении роторных систем авиационных двигателей становится очевидным, что одним из основных параметров, влияющих на их эффективность, является радиальный зазор между торцом лопатки и статором, который влияет на перетекание потока в периферийном сечении лопатки. В связи с постоянно растущими требованиями к топливной эффективности авиационных двигателей значение радиального зазора часто увеличивают до предельно возможного. При уменьшении радиального зазора растет вероятность контакта между лопаткой и статором, что может привести к повреждению, сильному износу контактирующих поверхностей, снижению эффективности по причине увеличения перетекания рабочего тела на торце лопатки, а в некоторых случаях может привести к частичному или полному разрушению конструкции. Некоторые катастрофические события, произошедшие по причине задевания ротора о статор, приведены в работах1 [2-5].
В 1973 г. National Transportation Safety Board (NTSB) сообщила о случае полного разрушения двигателя самолета DC-10 по причине взаимодействия между лопатками вентилятора и корпусом вентилятора2.
Отклонение от нормального режима работы роторных машин вызывает изменение спектра вибрации. Это широко используется для диагностики технического состояния изделий, в частности в турбостроении и авиационной технике [6-8]. Эффективность методов вибрационной диагностики зависит от правильного выбора параметров, поддающихся
выделению на фоне помех, присущих измерению вибраций, и наиболее чувствительных к диагностируемым дефектам.
В работе [9] приводится обширный анализ публикаций на тему моделирования задевания ротора о статор и классификация моделей по признаку задевания ротора о голый статор (статор без истираемого покрытия), ротора о корпус с истираемым покрытием без износа и ротора с истираемым покрытием с учетом износа. Указывается, что на вибрационное поведение ротора при контакте со статором в значительной мере влияют коэффициент трения между контактирующими поверхностями и износ в месте контакта.
Целью настоящей работы является исследование влияния трения на динамическое поведение ротора при контакте со статором.
Методика экспериментального исследования
Экспериментальное исследование проводилось на модельной роторной установке (рис. 1) [10-14], в конфигурации позволяющей осуществлять задевание ротора о статор.
Основные элементы установки смонтированы на раме 3, которая закреплена на основании 1. Ротор установки представляет собой стальной вал 6 диаметром 20 мм с закрепленным на нем диском массой 4 кг. Вал ротора закреплен в опорных узлах 7 и 12. Каждый из них представляет собой закрепленный на раме корпус, в котором установлен двухрядный шариковый подшипник. Ротор приводится во вращение асинхронным двигателем 4, который соединяется с валом 6 через упругую муфту 5. Для моделирования задевания и исследования влияния трения на динамическое поведение ротора при контакте со статором на раму 3, посредине между опорными узлами 12 и 7, установлен опорный узел 10, в который вместо подшипника устанавливается втулка - имитатор статора 2 (рис. 2), в зависимости от требований эксперимента втулка -имитатор статора может быть изготовлена из материала с требуемыми фрикционными характеристиками.
Установка препарирована двумя парами вихретоковых датчиков, установленных в кронб
Рис. 1. Схема (а) и внешний вид (б) экспериментальной установки: 1 - основание; 2 - виброопора; 3 - рама; 4 - электродвигатель; 5 - упругая муфта; 6 - вал; 7, 12 - опоры; 8 - диск; 9, 11 - кронштейны с вихретоковыми датчиками; 10 - корпус с втулкой - имитатором статора
Рис. 2. Втулка, имитирующая статор:
штейнах 9 и 11 (см. рис. 1) и измеряющих две компоненты радиальных виброперемещений вала ux и uy в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно. Кроме того, на каждой опоре ротора и на корпусе с втулкой -имитатором статора установлено по три акселерометра, измеряющих виброускорения в горизонтальном и вертикальном направлениях и под углом 45° к горизонтали. Происходит также фиксация частоты вращения.
Установка имеет систему управления экспериментом и регистрации параметров на базе модулей National Instruments. Управление экспериментом и обработка результатов измерений осуществляются с помощью программного обеспечения, разработанного в среде LabView [15]. Система управления обеспечивает изменение частоты вращения ротора по заданному закону, регистрацию и обработку сигналов с акселерометров и датчиков перемещений, а также контроль частоты вращения. Результаты эксперимента могут быть представлены в виде временных функций перемещений и ускорений, амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), а также в виде диаграмм Кэмпбелла.
В соответствии с целью экспериментального анализа проведена серия экспериментов:
Результаты экспериментального исследования
Результаты экспериментального исследования представлены в виде диаграмм Кэмп-белла, амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и орбит.
В ходе анализа экспериментальных данных, полученных в эксперименте без задевания, выявлено, что модельная роторная установка имеет анизотропию жесткости опор, что выражается в наличии двух резонансных режимов по форме колебания (два пика на АЧХ) (рис. 3) на частотах 2915 и 3100 об/мин, также об анизотропии жесткости опор свидетельствует эллиптическая форма орбиты ротора. На выносках орбит (см. рис. 3) можно наблюдать прямую прецессию ротора (вращение против часовой стрелки, точкой обозначено начало построения орбиты) на частоте 2876 об/мин, вырождение траектории в линию на первом критическом режиме на частоте 2941 об/мин, обратную прецессию (вращение по часовой стрелке) на закритическом режиме на частоте 2976 об/мин, вырождение траектории в линию около второго критического режима на
На диаграмме Кэмпбелла (рис. 4) не наблюдается какой-либо закономерности в возбуждении (повышенная амплитуда) супер- и субгармоник, хаотический характер возбуждения супер-и субгармоник может свидетельствовать о дефектах в подшипниках качения роторной установки.
В эксперименте с задеванием об алюминиевую втулку имитатора статора на АЧХ (рис. 5) также наблюдается два пика, свидетельствующих об анизотропии жесткости системы на частотах 2725 и 2905 об/мин, изменение частот резонансных режимов в сравнении с экспериментом без задевания свидетельствует об изменении жесткости системы вследствие задевания, также по причине задевания происходит усечение пиков АЧХ. На орбитах (см. рис. 5) можно наблюдать: прямую прецессию на частоте 2663 об/мин, вырождение орбиты в линию на частоте 2780 об/мин, но, поскольку орбита построена на участке, когда происходит задевание ротора о статор, орбита имеет форму цифры 8, так как во время соударения происходит обкат ротора по статору, на частоте 3240 об/мин наблюдается прямая прецессия.
Рис. 3. График АЧХ, полученных с датчиков иу и их и орбиты в эксперименте без задевания
Частота, Гц
Рис. 4. Диаграмма Кэмпбелла в эксперименте без задевания
Рис. 5. График АЧХ, полученных с датчиков иу и их и орбиты в эксперименте с задеванием об алюминиевый имитатор статора
На диаграмме Кэмпбелла (рис. 6) в диапазоне частот вращения от 2850 до 2920 об/мин (область обведена) наблюдается возбуждение гармоник с кратностью 1х, что может свидетельствовать о задевании ротора о статор, так как на данных частотах на диаграмме Кэмпбелла в эксперименте без задевания такого возбуждения гармоник не наблюдалось.
В эксперименте с задеванием о фторопластовый имитатор статора на АЧХ (рис. 7) наблюдаются сильно смазанные пики, размах виброперемещений постоянно растет, что связано
Частота, Гц
Рис. 6. Диаграмма Кэмпбелла в эксперименте с задеванием об алюминиевый имитатор статора
Рис. 7. График АЧХ, полученных с датчиков иу и их и орбиты в эксперименте с задеванием о фторопластовый имитатор статора
с износом фторопластовой втулки имитатора статора. На всех орбитах наблюдается прямая прецессия ротора. Также отсутствует вырождение орбит в линию, что может быть связано с задеванием в крайних точках орбиты, во время контакта происходит изменение жесткости системы и смещение резонансного режима, вектор силы меняет направление с нормального на касательное к поверхности статора (по направлению прямой прецессии); так как энергии недостаточно для поддержания синхронного скольжения, короткий контакт приводит только к частичному уширению орбит на частотах 3093 и 3199 об/мин (см. рис. 7),
при увеличении энергии в системе ротор будет стремится к более полному синхронному скольжению по статору, что можно наблюдать на частоте 3692 об/мин. На диаграмме Кэмп-белла (рис. 8) наблюдаются две зоны упорядоченного возбуждения супер- и субгармоник в большом диапазоне частот колебания (зоны обведены и обозначены 1 и 2), что можно считать характерным признаком задевания ротора о статор, так как в эксперименте без задевания на данных частотах на диаграмме Кэмпбелла такого возбуждения супер- и субгармоник не наблюдалось.
В эксперименте с задеванием о бронзовый имитатор статора на АЧХ (рис. 9) пики также сильно размазаны, на всех орбитах наблюдается прямая прецессия, вырождение траектории также не происходит, однако можно наблюдать большее уширение орбит по сравнению с экспериментом с задеванием о фторопластовую втулку. В то же время характерной особенностью АЧХ (см. рис. 9) является резкий спад амплитуды колебаний на частоте 3280 об/мин по сравнению с АЧХ (см. рис. 7), что может свидетельствовать о том, что в эксперименте с задеванием о фторопластовую втулку больший коэффициент трения приводит к возникновению самовозбуждающихся колебаний, которые растут с ростом частоты вращения, а в эксперименте с задеванием
о бронзовую втулку коэффициент трения меньше, чего недостаточно для поддержания самовозбуждающихся колебаний. На диаграмме Кэмпбелла (рис. 10) наблюдается две зоны упорядоченного возбуждения супер- и субгармоник в большом диапазоне частот колебания (зоны обведены и обозначены 1 и 2), что можно считать характерным признаком задевания ротора о статор, так как в эксперименте без задевания на данных частотах на диаграмме Кэмпбелла такого возбуждения супер- и субгармоник не наблюдалось.
Заключение
Проведена серия экспериментальных исследований с задеванием ротора о втулку имитатора статора, изготовленную из разнородных материалов: алюминия, фторопласта и бронзы. Результаты экспериментальных исследований с задеванием были сравнены с результатами экспериментального исследования без задевания и выявлены следующие закономерности:
- контактное взаимодействие со статором приводит к появлению в спектре вибраций ротора не только высших гармоник, но и пиков, для которых частота колебаний выше и ниже частоты вращения и не кратна ей; такие пики возникают при виброударном движении ротора;
Частота, Гц
Рис. 8. Диаграмма Кэмпбелла в эксперименте с задеванием о фторопластовый имитатор статора
Рис. 9. График АЧХ, полученных с датчиков иу и их и орбиты в эксперименте с задеванием о бронзовый имитатор статора
Частота, Гц
Рис. 10. Диаграмма Кэмпбелла в эксперименте с задеванием о бронзовый имитатор статора
- при задевании ротора о статор на диаграмме Кэмпбелла и АЧХ появляются описанные выше характерные изменения, которые могут служить диагностическими признаками при вибрационной диагностике;
- анизотропия жесткости системы приводит к появлению двух пиков на АЧХ;
- на динамику ротора при контакте со статором очень сильно влияет величина коэффициента трения между ротором и статором: при малом значении коэффициента трения может происходить прямое синхронное скольжение ротора по статору, при большем значении может возникать самовозбуждающееся виброударное движение, которое будет приводить к росту амплитуды колебания с ростом частоты вращения, при больших значениях коэффициента трения может возникать явление обката ротора по статору.
Для более точного определения критериев перехода от одного явления к другому необходимо провести больше экспериментальных исследований с втулками - имитаторами статора, изготовленными из материалов с различными фрикционными характеристиками.
Полученные экспериментальные данные о динамическом поведении ротора при контакте со статором могут быть использованы для верификации расчетных методик.
Библиографический список
References
D. Bently. NW, USA, 2002, 726 p.
Об авторе
Куракин Антон Дмитриевич (Пермь, Россия) - аспирант, инженер кафедры «Авиационные двигатели» ФГБОУ ВО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29, e-mail: Kurakin_ad@mail.ru).
About the author
Anton D. Kurakin (Perm, Russian Federation) - PhD Student, Engineer of Aircraft Engines Department, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: Kurakin_ad@mail.ru).
Получено 27.05.2020
