Содержание

ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ РОТОРОВ КОРПУСНО-СЕКЦИОННЫХ НАСОСОВ И МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ИХ ВИБРОНАГРУЖЕННОСТИ

Алиев Н.А. (НИИГМ имени М. М. Федорова, г. Донецк)

      Вибронагруженность корпусно-секционных насосов вертикальной и горизонтальной компоновок всецело зависит от нестационарной гидроди-намики, неоднородности поля неуравновешенных центробежных сил вра-щающихся деталей проточной части агрегата, технологических и конст-руктивных несовершенств. Причем указанные факторы имеют место вне зависимости от исполнения и работы агрегатов, т.е. горизонтальной или вертикальной их компоновки.
      Особенностью корпусно-секционных машин является то, что ряд причин их неуравновешенности закладывается при проектировании и яв-ляется неотъемлемой частью конструкторского исполнения ротора насоса. К ним следует отнести несимметричное расположение модулей и элемен-тов колес, радиальные и торцевые биения рабочих колес, положение шпо-ночных пазов и их относительной ориентации на валу, разброс размеров в пределах посадок сопрягаемых деталей, погрешности балансировки и сборки и т.д.
      Технология сборки динамических многосекционных машин требует разработки и осуществления предсборочной подготовки деталей: взвеши-вания, статической или динамической балансировки или их дозированного сочетания, притирки, пригонки, различных видов приемочных испытаний и обкатки, применения неразрушающих методов контрольного обследова-ния и т. д.
      В [1], [2] было показано, что предсборочная подготовка турбома-шин может включать в себя балансировку ротора в сборе или поэлемент-ную балансировку составляющих ротор деталей и узлов.
      Для турбокомпрессоров, турбин, питательных насосов большой мощности, многоступенчатых редукторов и т.д. балансировка роторов, валов, вал-шестерен производится в сборе, в динамическом режиме в двух или нескольких плоскостях коррекции. Такая методика предсборочной балансировки правомерна, т.к. указанные машины имеют горизонтальный (продольный) разъем. После установки ротора в сборе на подшипники корпуса и монтажа крышки не требуется дополнительной балансировки агрегата, и основным требованием к работе машины будет обеспечение горизонтального и вертикального координирования и нормируемая для конкретных условий центровка. При значительной длине ротора необходимость балансировки в динамическом режиме на рабочих оборотах связана с минимизацией амплитуд вибросмещений и увязкой их с величиной радиальных зазоров лабиринтных уплотнений, не превышающих величины 0,15-0,20 мм для всех типов турбин и турбокомпрессоров.
      Исследования износа сопряженных пар в корпусно-секционных машинах показали [2], что при работе насоса с числом ступеней болee шести имеет место поперечное колебание вала, вибросмещение которого соизмеримо с величиной зазора между щелевыми уплотнениями, горловиной и ступицей колеса. Ускоренный износ сопряженных и контактирующих пар проточной части и их разрушение обусловлены в значительной степени вибрацией агрегата.
      Задача увеличения долговечности корпусно-секционных машин может быть решена: во-первых, исследованием и внедрением высокопрочных износостойких материалов на основе хромистых чугунов, специальных полимерных композиций, нержавеющих хромомолибденовованадьевых сталей и т. д. для сопряженных пар насоса; во-вторых, выявлением факторов, определяющих уровень вибронагруженности насоса, и снижением ее технологическими или конструктивными методами с организацией детерминированного распределения неуравновешенных масс на роторе при сборке.
      К основным геометрическим и технологическим несовершенствам рабочих колес, влияющим на вибронагруженность насосных агрегатов, следует отнести:
      а) большие отклонения по шагу и профилю диффузора между лопатками как в самом колесе, так и между колесами; б) межлопаточная огранка, волнистость по выходному каналу из рабочего колеса, эксцентриситет горловины относительно технологической базы; в) большие радиальные и торцевые биения поверхностей как коренного, так и покрывного дисков; г) наиболее существенным фактором, влияющим на вибрацию ротора, является разномассовость рабочих колес[3]; д) отбалансированные, но отличающиеся по весу колеса, собранные на вал корпусно-секционной машины, будут содействовать возникновению вибрации насоса и агрегата в целом.
      Распределение на роторе колес с учетом их веса (селективная сборка) не решает задачи снижения вибронагруженности машины. Причем как аппроксимации, так и инструментальному анализу распределение неуравновешенности в корпусно-секционных машинах не может быть подвергнуто. В том числе и прогнозирование распределения вибропараметров по длине ротора. Многочисленные теоретические решения задачи о колебаниях роторов с позиционированием по длине неуравновешенных масс не имеет практической реализации для корпусно-секционных машин именно из-за невозможности прогнозировать распределение вышеуказанных факторов при сборке.
      Решение задачи о влиянии вибронагруженности и минимизации энергетических потерь на процессы, связанные с динамикой корпусно-секционной машины и ее вынужденных колебаний требует разработки методов упорядочения и систематизации позиций неуравновешенных масс по длине ротора. Учитывая, что фактор неуравновешенности является случайным, зависящим от вышеуказанных геометрических и технологических несовершенств элементов машины, задача подразделяется на: 1) разработку технологий сопутствующих снижению указанных геометрических и технологических несовершенств; 2) разработку методов балансировки, синхронизации при сборке элементов ротора по выделенному управляющему фактору, контролю вибропараметров и на этой основе прогнозирование долговечности и ресурса агрегата.
      Технологические несовершенства могут быть минимизированы соотношениями между отклонениями от геометрических поверхностей, формирующих конфигурацию рабочих колес [3]. Решение первой задачи позволяет определить круг вопросов, подлежащих реализации при распределении колес на валу с учетом неуравновешенности.
      Формирование информационного поля технологической операции сборки заключается в анализе сопрягаемых блоков – модулей: порядок и точность изготовления корпусных деталей, валов, рабочих колес и деталей, формирующих проточную часть машины.
      Рассмотрим функциональную значимость и вклад в общее информационное поле сборочной операции технологического фактора формообразования рабочих колес – основного элемента организующего ротор корпусно-секционной машины.
      При организации операции сборки контролю, корректировке и расчету подвергаются до 26 параметров рабочего колеса. В их число входят геометрические отклонения основных размеров, отклонения от взаимного положения формообразующих поверхностей колеса, масс-центровочные характеристики и т.д. [4]. В результате анализа вышеприведенных параметров были получены уравнения парной и множественной корреляции. Причем уравнения парной корреляции получены в виде квадратного, кубического и многочлена пятой степени [4]. Множественная корреляция строилась в виде поверхностей в трехмерной координатной системе, с обязательной фиксацией в качестве одной из осей начального дисбаланса. Полученные уравнения множественной корреляции сопоставлялись по величине начального дисбаланса и нормированной остаточной неуравновешенности, что позволило получить относительные соотношения параметров между собой.
      Количество уравнений множественной корреляции зависит от числа контролируемых или нормируемых параметров обрабатываемой детали (узла) и определяются из соотношения: С =К (К–1)/2,где К – количество контролируемых параметров.
      Нормирование параметров входящих в систему корреляционных уравнений было проведено двумя методами: 1) дифференцированием уравнений системы в частных производных получить систему уравнений, связывающих скорость изменения начальных дисбалансов от технологических и геометрических несовершенств процесса механической обработки как от аргументов сложной функции и ее решением определить границы изменения взаимосвязанных величин[3]; 2) определить остаточный дисбаланс из условия динамической неуравновешенности для соответствующего класса точности балансировки и, приравняв начальный дисбаланс нормируемому, совместным решением уравнений получить границы варьирования параметров. В результате решения указанной задачи о нормировании технологических несовершенств получены, в частности, для рабочих колес насосов ЦНС 300 соотношения[4]: В=0,55 – 0,60;
      у = 0,0501 - 0,055; Е1 = 0,02 - 0,025; Е2 = 0,01 - 0,05;
      где В, у –соответственно радиальное и торцевое биение коренного диска колеса;
      Е1, Е2 –радиальные биения горловины и ступицы колеса.
      В результате решения задачи по нормированию технологических несовершенств элементов ротора и сепарации их для последующих операций – балансировки, взвешивания, детерминированной комплектации и подготовки их к сборке – требуется выделение фактора управления позиционированием колес на роторе.
      В качестве фактора детерминированного позиционирования остаточной неуравновешенности колес по длине вала принята балансная мера [4], [5] определяемая по результатам динамической балансировки элементов ротора.
      При этом на валу рабочие колеса устанавливаются парами, с направлением положительной разности балансной меры в одну сторону от оси симметрии вала, а минимум ее величины приравнивается к расстоянию от вершин параболы распределения или цепной линии до директрисы. При такой организации сборки огибающая колеблющаяся система с факторами неуравновешенности описывает в пространстве катеноид - минимальную поверхность. Это определяет минимум энергетических потерь при колебаниях системы для любой из форм распределения балансных мер – по цепной линии или параболе, т.к. пределах вершины цепная линия аппроксимируется параболой.
      При такой детерминированной сборке становится возможным количественно оценить изменение вибропараметров вдоль образующей насоса, износ и возможность прогнозировать долговечность и ресурс работы корпусно-секционной машины.
      Методика синфазной сборки корпусно-секционных машин в основу которой положено распределение балансных мер или их положительной разности по параболическому закону или по закону цепной линии позволяет осуществить разработку и внедрение машин малой вибронагруженности и повышенного ресурса.
      Решение задачи вынужденных колебаний роторов корпусно-секционных турбомашин в зависимости от принятой системы распределения неуравновешенностей для дискретно расположенных масс и сравнение трендовых характеристик с полученными теоретическими результатами позволяет анализировать их техническое состояние и прогнозировать их ресурс.
      В настоящее время насосы, созданные по разработанной технологии имеют ресурс до 16–18 тыс. часов, вместо нормируемых 6000 часов.
      Литература.
      1. Алиев Н.А. Технологическое обоснование методики сборки многосекционных шахтных насосов // Наукові праці Донецького національного технічного університету. - Серія: гірнично - електромеханічна.- Вип. 51. - Донецьк. 2002. - с. 3 - 9.
      2. Алиев Н.А., Бондарь Ю.В., Исаев А.Е. Технология и методика изготовления и сборки многосекционных шахтных насосов горизонтальной и вертикальной компоновки малой вибронагруженности // Международный сборник научных трудов. – Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – Вып. 24. - Донецк, 2003.-с. 3-12.
      3. Алиев Н.А. Динамические аспекты технологической стратегии производства высокоточных рабочих колес центробежных многоступенчатых шахтных насосов.// Збірник наукових праць НДІГМ імені М.М. Федорова. Проблеми експлуатації шахтних стаціонарних установок. – Вип. 95. - Донецьк, 2002. – С. 67-82.
      4. Алиев Н.А. Метод нормирования технологических несовершенств при механической обработке рабочих колес многосекционных шахтных машин: Сборник научных трудов / НГУ. – Днепропетровск, 2003. – №17. – Т.2. – С. 214-224.

Наверх