Delist.ru

Разработка и исследование аналитических моделей динамики механизмов с зазороми в сопряжениях деталей (15.02.2010)

Автор: Корольков Михаил Владимирович

С целью проверки адекватности комплексной математической модели динамики и изнашивания деталей кривошипно-ползунного механизма были проведены экспериментальные исследования виброакустических характеристик компрессоров при соответствующих износных состояниях узлов трения.

В четвертой главе обоснован выбор объектов исследования и приведены особенности их конструкции.

В качестве объекта диагностирования выбраны вертикальные крейцкопфные азотные поршневые компрессоры TV2S3K–400/630 (корпус предварительного сжатия) и TV2S3K–400/270 (дожимающий корпус), установленные на производстве больших агрегатов Новомосковской акционерной компании "Азот". Они работают без смазки цилиндров и газовых сальников. Такая конструкция компрессоров получила широкое распространение в химической промышленности. Каждый его корпус является трехрядным, двухступенчатым. Конечное давление нагнетания установки составляет 10МПа, производительность 110м3/мин, частота вращения коленчатого вала 293об/мин, мощность электродвигателя 800кВт.

Также исследовались: водородный компрессор NA-20, установленный в автоклавном цехе ОАО «Московский жировой комбинат»; аммиачный компрессор АГК-56, установленный в компрессорном цехе ОАО «Айс-Фили»; аммиачный компрессор П-220, установленный в компрессорном цехе ОАО «Перовское»; аммиачный компрессор АВ-75, установленный в холодильно-компрессорном цехе ОАО «Холодильник №5-6».

Проведенный анализ причин отказов показал, что стуки, происходящие в компрессорах от ударов в сопряжениях, способны привести к аварийным ситуациям. Появившиеся дополнительные динамические нагрузки снижают несущую способность деталей. Это приводит к разрушению их контактирующих поверхностей, штоков, срезу шплинтов в шатунных болтах, что требует значительного времени восстановления. В качестве диагностируемых узлов были выбраны шатунный, крейцкопфный подшипники скольжения, "башмак крейцкопфа–направляющая" и "поршневые кольца–втулка цилиндра".

Во время проведения ремонтных работ в этих узлах контролировались величины зазоров. Они изменялись только в том случае, если фактический зазор больше предельного. Если зазоры находились в допустимых пределах, то компрессор собирался и выводился на рабочий режим.

С целью определения технического состояния диагностируемых узлов во время эксплуатации контролировались виброакустические характеристики (ВАХ) компрессоров. В качестве измерительного прибора использовался виброанализатор «АДП-3101» ООО «Инкотес» с пьезоэлектрическими датчиками. Исследования проводились в высокочастотной области ускорения – до 10кГц, что характеризует удары деталей. Крепление датчиков к корпусу объекта осуществлялось через переходники, которые жестко устанавливались в каждой контрольной точке. Для этого были определены наиболее информативные места съема вибрации: на фланцах цилиндров и на станине компрессора – возле направляющих и коренных подшипников. С целью осуществления временной селекции виброакустического сигнала (ВАС) использовался фотоотметчик, запуск которого осуществлялся при достижении I ряда компрессора верхней мертвой точки (ВМТ).

В соответствии с поставленными задачами регистрировались временная реализация ВАС и его спектр. Поскольку удары деталей в сопряжениях носят многоимпульсный характер, что характеризуется нестабильностью уровня вибрации, то измерение ВАС проводилось за 5 оборотов вала. По этим временным выборкам строился спектр, усреднение которого проводилось по 15-20-и мгновенным спектрам, когда наложение текущего на усредненный не вызывало уже существенных изменений.

Экспериментальные исследования вибрационного состояния осуществлялись на эксплуатационных режимах компрессора и при пуско-наладочных испытаниях. Это позволило оценить степень влияния давления в цилиндрах на процессы соударений в каждом сопряжении.

Пятая глава посвящена исследованиям влияния режимов работы компрессора и величин зазоров в сопряжениях деталей на динамические и виброакустические характеристики механизма движения. Исследования проводились на режимах, соответствующих пуско-наладочным испытаниям и номинальной нагрузке.

В результате моделирования динамики при изменении зазоров в шатунном подшипнике, крейцкопфном подшипнике, в поступательной паре «крейцкопф-направляющая» от минимального до предельного значения было установлено следующее: на динамические параметры влияет не только зазор в исследуемом сопряжении, но и соотношение величин зазоров в узлах.

В качестве примера приведем гистограммы для компрессора TV2S3K-400/270. На рис. 4а-в показаны максимальные значения скоростей соударения деталей в различных узлах за цикл работы механизма при минимальных и предельных значениях зазоров в исследуемых сопряжениях.

При увеличении зазора в одном из каких-либо узлов (шатунный, либо крейцкопфный подшипники, либо крейцкопф-направляющая) значения динамических параметров в этом узле, как правило, увеличиваются. Причем наиболее сильно это проявляется в крейцкопфном подшипнике: здесь скорость удара возрастает в 3,75 раза (рис.4б). В шатунном подшипнике скорость соударения увеличивается в 1,93 раза (рис.4в), а в поступательной паре – в 1,81 раза (рис.4а).

Динамика крейцкопфного подшипника является наиболее чувствительной к изменению зазоров во всех узлах механизма. Следует отметить, что на других режимах работы компрессора его динамика будет несколько отличаться. Поэтому количественные и даже, в некоторых случаях, качественные соотношения динамических параметров при изменении зазоров в узлах будут другими. Так, при изменении величины зазора возможно появление дополнительного второго удара при другом положении кривошипа за цикл работы механизма. Кроме того, при моделировании было установлено, что увеличение зазора в поступательных узлах приводит к пропорциональному изменению скорости удара деталей. В подшипниках эта зависимость не является линейной, так как на их ско-

Рис.4. Гистограммы скоростей соударения деталей при изменении зазоров:

а) – в сопряжении «крейцкопф-направляющая»; б) в крейцкопфном

подшипнике; в) в шатунном подшипнике.

рость соударения влияет зазор не только в исследуемом сопряжении, но и зазоры в других узлах. Это связано с тем, что множитель Лагранжа отдельно взятой связи является функцией совместного влияния всех связей. А значение реакции оказывает непосредственное влияние на скорость движения деталей.

Диагностические признаки состояния узлов компрессора, такие как фаза, периодичность, амплитуда и длительность удара, рассчитываются с помощью разработанной математической модели. Это позволило рассчитать собственные частоты сопряжений и выделить их на спектре.

В соответствии с результатами расчета максимум спектральной мощности в различных узлах для TV2S3K лежит в следующих зонах: 1700Гц («направляющая – башмак крейцкопфа»), 2500Гц (шатунный подшипник), 3500Гц (цилиндро-поршневая группа), 7500Гц (крейцкопфный подшипник).

Проведение ряда математических экспериментов при различных соотношениях зазоров от минимального значения до предельного в каждом из узлов позволяет получить такие соотношения зазоров, которые приводят к наибольшим уровням динамических характеристик. Тогда с учетом результатов, полученных при математическом моделировании динамики механизма компрессора, и технических условий на ремонт становится возможным уточнить предельные значения зазоров в узлах компрессора с точки зрения уменьшения его динамической и виброакустической активности.

Таким образом, рассмотренные в предыдущих главах отдельные процессы являются составными частями общего процесса изменения технического состояния машины, а математические модели их описания – частными операторами общей математической модели.

Общие выводы

Проведенные экспериментальные исследования отказов поршневых компрессоров и технического состояния сопряжений позволили выявить узлы, дефекты в которых наиболее опасно влияют на работоспособность машины в целом. Ими являются поршневые кольца, башмак крейцкопфа, шатунный и крейцкопфный подшипники скольжения.

Разработана математическая модель формирования и изменения во времени зазоров в сопряжениях деталей поршневого кривошипно-ползунного механизма в процессе изнашивания с учетом динамических характеристик механизма и наличия граничной смазки в трибосопряжениях.

Разработана математическая модель динамики поршневого компрессора, которая адекватно описывает движение механизма компрессора с учетом зазоров и неравномерности вращения коленчатого вала.

Проведены виртуальные исследования на ЭВМ влияния изменения зазоров в каждом рассматриваемом узле механизма на его динамические параметры. Динамика крейцкопфного подшипника является наиболее чувствительной к изменению зазоров во всех узлах механизма. Установлено, что скорость соударения в крейцкопфном подшипнике увеличивается в 3,75 раза при увеличении его зазора от минимального до предельного значения.

Математическое моделирование процессов перекладок деталей в сопряжениях механизма движения поршневого компрессора позволило определить вибродиагностические признаки износа различных узлов по временному и частотному признакам.

Сопоставление результатов математического моделирования динамики с виброакустическими характеристиками компрессора позволило установить взаимосвязь величины зазоров в сопряжениях со скоростью соударения и виброакустическими параметрами.

Разработан программный комплекс на ЭВМ, направленный на совершенствование метода моделирования изменения технического состояния поршневых кривошипно-ползунных механизмов с учетом взаимосвязи динамических характеристик, изнашивания сопряженных деталей и виброакустических параметров.

Публикации по теме диссертационной работы

Гриб В.В., Жуков Р.В., Корольков М.В. Вибродиагностика изнашивания трибосопряжений в машинах // Трение и смазка в машинах и механизмах. – 2006, №5. – С.30-35.

Гриб В.В., Жуков Р.В., Корольков М.В. Решение задачи динамики кривошипно-ползунных механизмов с учетом износа трибосопряжений // Материалы III международной конференции «Проблемы механики современных машин». – Улан-Удэ, 2006. – С.45-48.

Жуков Р.В., Корольков М.В. Анализ динамики рычажных механизмов с учетом изнашивания трибосопряжений // Сб. докладов «Международной конференции по теории механизмов и механике машин». – Краснодар, 2006. – С. 162.

Гриб В.В., Петрова И.М., Жуков Р.В., Корольков М.В. Влияние износа на динамику и усталостные повреждения в машине // Сб. трудов международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии». В 2-х томах. Т.1. – М.: Машиностроение, 2007г. – С.130-141.

Гриб В.В., Давыдов В.М., Жуков Р.В., Корольков М.В. Вибродиагностика изнашивания трибосопряжений в машинах // Сб. трудов международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии». В 2-х томах. Т.1. – М.: Машиностроение, 2007г. – С.141-154.

Гриб В.В., Петрова И.М., Жуков Р.В., Гадолина И.В., Корольков М.В. Влияние изнашивания трибосопряжений на динамику и накопление усталостных повреждений в деталях машин // Сб. докладов III Международной научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин». – Астрахань, 2007. – С. 113.

Давыдов В.М., Жуков Р.В., Гриб В.В., Корольков М.В. Опыт вибродиагностики компрессорного оборудования химических производств // Сб. научных трудов и инженерных разработок «Ориентированные фундаментальные исследования – федеральные целевые программы, наукоемкое производство». – М.: Эксподизайн, 2007. – С. 283-286.

Гриб В.В., Жуков Р.В, Корольков М.В. Вибродиагностика износа подшипниковых пар компрессорных установок // Сб. трудов Научно-практической конференции с участием иностранных специалистов «Трибология – машиностроению», ИМАШ РАН, 2008. – С. 119.

Гриб В.В., Давыдов В.М., Жуков Р.В., Корольков М.В. Корреляционные модели вибросигналов и износа трибосопряжений в машинах // Тезисы докладов XVIII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика». – Н.Н.Машиностроение, 2008. – С. 268-269.

загрузка...