СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИЙ, ВЫЗВАННЫХ РАСЦЕНТРОВКОЙ ОСЕЙ ПЛАСТИНЧАТЫХ СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ МУФТ Ильичев В.Ю.

Калужский филиал Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана


Номер: 9-1
Год: 2016
Страницы: 35-39
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

ротор, расцентровка, пластинчатая муфта, соединение валов, rotor, misalignment, plate coupling, connection of shafts

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье приведён анализ причин возникновения вибраций в пластинчатых соединительных муфтах роторных машин. Разработанные на основании анализа рекомендации позволяют снизить переменные силы и моменты, вызванные расцентровкой осей соединяемых валов. Выполнение этих рекомендаций приведёт к улучшению виброакустических характеристик роторных машин, а также к повышению их надёжности и долговечности.

Текст научной статьи

Исследованию работы соединительных муфт роторных машин в настоящее время уделяется пристальное внимание, т.к. от надёжного соединения валов во многом зависит надёжность всего механизма. Достаточно хорошо исследованы конструкции муфт, расчёт напряжений, возникающих в них, а также расчёт жёсткости упругих элементов муфт. К сожалению, мало внимания уделяется рассмотрению причин появления и мер снижения переменных сил, возникающих в муфтах при работе. Соединение валов роторных агрегатов часто осуществляется при помощи подвижных муфт, в которых крутящий момент передаётся через упругие элементы, имеющие большую податливость только в окружном направлении. Этим обеспечивается достаточно равномерное распределение усилий по окружности. При соединении роторов подвижными муфтами тепловые и силовые деформации опор подшипников могут привести к значительным расцентровкам осей, которые вызывают негативные процессы в муфтах: высокие напряжения, износ, вибрации. В работах, посвящённых проблеме возникновения переменных усилий в подвижных муфтах, выделяются две основные причины вибраций - неточность изготовления самих муфт и наличие несоосности (расцентровки осей) валов, соединяемых муфтой. В качестве упругих элементов в соединительных муфтах часто используются упругие пластины и пакеты пластин. Наибольшее распространение получили муфты, в которых упругие элементы образуются при помощи зигзагообразных пластин, помещённых между кулачками полумуфт. Опыт эксплуатации этих муфт показал, что из-за неизбежной несоосности валов происходит относительное проскальзывание контактирующих поверхностей упругих элементов и кулачков полумуфт в радиальном и осевом направлениях, сопровождающееся их износом. Вибрация агрегатов с пластинчатыми муфтами происходит с частотой, равной частоте вращения ротора. Исследования по работе роторов с такими муфтами при наличии расцентровки осей не производились. В идеально изготовленной муфте, при идеальной соосности валов, все пакеты пластин нагружены одинаково и многоугольник сил, действующих на полумуфты, замкнут. Дополнительные переменные силы и моменты, как показывает опыт, возникают на полумуфтах в результате различных отклонений в размерах элементов муфты при её изготовлении, а также из-за расцентровки осей соединяемых валов турбомашин. В самом общем случае могут иметь место следующие отклонения: 1.) во взаимном расположении пакетов пластин в полумуфтах; 2.) в значениях зазоров в окружном направлении при установке пакетов; 3.) в значениях жёсткостей пакетов пластин; 4.) в значениях масс каждого пакета; 5.) при наличии радиальной расцентровки осей валов (рис. 1). Буквами О1 и О2 на рисунке обозначены центры соединяемых валов. Рис. 1 Очевидно, что отклонения по пунктам 1, 2, 3 и 4 приводят к неодинаковому нагружению пакетов пластин в окружном и радиальном направлениях и появлению неуравновешенного вектора сил. Эти отклонения носят случайный характер и их можно свести к минимуму путём использования высокоточных современных станков с совместной обработкой обеих полумуфт, подбора пакетов пластин по жёсткости и по массе. Общее снижение жёсткости пакетов пластин также уменьшает величину неуравновешенного вектора сил. Расцентровка осей валов по величине может намного превышать возможные отклонения в размерах при изготовлении пластинчатых муфт. Это вызвано ограниченными технологическими возможностями в обеспечении высокой точности центровки валов при монтаже, а также из-за деформаций фундаментов и корпусов агрегатов при работе. В литературе отсутствуют данные, раскрывающие механизм возникновения переменных сил в пластинчатых соединительных муфтах при расцентровке осей валов. Это препятствует возможности прогнозировать вибрационное состояние агрегата в процессе его проектирования. Поскольку реальные валы обладают конечной жёсткостью, то очевидно, что существует некоторый диапазон расцентровок осей валов ниже критического их значения 0 < < , в котором не происходит относительного смещения контактирующих поверхностей, т.е. муфта лишена подвижности. Это происходит потому, что силы и моменты, действующие на полумуфты со стороны упруго сдеформированных валов, в указанной зоне расцентровок меньше сил и моментов трения в муфте. Роторная система при этом представляет собой жёсткое соединение валов со смещёнными осями. При вращении такой системы валов будет происходить их деформирование с частотой вращения и, как следствие, возникновение переменных сил на опорах, вызывающих повышенную вибрацию. Вычисление граничных (критических) значений расцентровок с учётом разных инерционно-жесткостных характеристик соединяемых муфтой валов, является достаточно сложной и громоздкой задачей. Решение этой задачи можно существенно упростить, если принять, что соединяемые муфтой валы имеют одинаковые инерционно-жесткостные характеристики. В диапазоне расцентровок 0 < < из-за отсутствии проскальзывания в муфте, при повороте валов на 180° со стороны сдеформированных валов действуют наибольшие силы, которые стремятся сблизить центры О1 и О2, но они меньше сил трения в муфте и поэтому расстояние между центрами О1О2 остаётся неизменным при любом угле поворота. При этом центры двигаются по окружности с радиусом . Поскольку валы имеют одинаковую жёсткость, то изгибающие моменты на полумуфтах отсутствуют. Переменные силы станут равными нулю при критической расцентровке , когда центры валов совместятся. В этом положении на полумуфты действует только постоянная сила в плоскости расцентровки, равная силе трения в муфте. При дальнейшем увеличении расцентровки > центры валов будут раздвигаться, оставаясь неподвижными, в муфте будет происходить проскальзывание при всех углах поворота. Этот режим работы должен являться основным, т.к. при этом обеспечивается необходимая подвижность соединения. Следует отметить ещё одну особенность при работе валов, соединяемых пластинчатой муфтой, в которой действуют силы трения. Рис. 2 На рис. 2,а и 2,б сплошными линиями показана схема идеально сцентрованных валов. Пунктирными линиями показана возможная форма деформации валов, которая может получиться, например, в результате сострясения. После устранения причины, вызвавшей деформацию валов, валы сохранят изогнутую форму, при которой упругие силы и моменты равны силам или моментам трения в муфте. При этом центры валов О1 и О2 будут двигаться по окружности и в системе возникнут переменные силы и моменты. Очевидно, что если бы валы не были идеально сцентрованы, а имели начальную расцентровку , то после снятия импульса они вернулись бы в это исходное состояние. Таким образом, проведённый анализ приводит к выводу о необходимости некоторой расцентровки осей для обеспечения нормальной работы валов, соединённых пластинчатой муфтой с трением. Желательно, чтобы эта расцентровка была как можно меньшей и находилась в зоне естественных, неизбежных значений, которые всегда имеют место после монтажа. Этого можно добиваться путём увеличения жёсткости валов. Необходимая жёсткость валов, при которой значения расцентровок осей будут минимальны, определяется из следующих условий. Поскольку при расцентровке осей, равной , их центры О1 и О2 совмещены и фланцы полумуфт параллельны, то все гибкие элементы в муфте (пакеты пластин) нагружены одинаковым окружным усилием , где - передаваемый крутящий момент; z - число пакетов упругих пластин; R - радиус расположения пакетов упругих пластин. Относительному радиальному смещению полумуфт в плоскости расцентровки препятствует сила трения где f - коэффициент трения в упругих элементах муфты; - угол расположения i-го упругого элемента. Упругая сила, действующая со стороны изогнутого вала, равна: , где - прогиб конца вала от единичной силы. Из равенства этих сил находим наибольшую из необходимых статическую податливость конца вала : . Эти формулы выведены из условия равной жёсткости обоих соединяемых муфтой валов. В реальных роторных системах жёсткости валов различны. Поэтому этими формулами нужно пользоваться для определения требуемой жёсткости для менее жёсткого вала. В этом случае влияние более жёсткого вала только повысит запас вибрационной прочности. Наблюдения за работой муфт в процессе эксплуатации турбоагрегатов показали, что износ контактирующих поверхностей происходит при расцентровках осей валов, приводящих к взаимному относительному скольжению поверхностей. При этом в местах контакта поверхностей возникают значительные силы трения. На основании анализа характера износа трущихся поверхностей можно сделать вывод, что в них происходит не истирание, в классическом понимании этого процесса, а микровыкрашивание. При этом, из-за малых относительных взаимных смещений поверхностей, продукты износа долго остаются в зоне трения, что усугубляет износ. Причиной такого износа является отсутствие смазочной плёнки между контактирующими поверхностями, хотя все пластины и кулачки погружены в масляную ванну. Это происходит из-за того, что размеры пятна контакта на несколько порядков больше, чем величина периодического относительного смещения поверхностей. Из-за этого в зону трения масло не поступает и разрушенная масляная плёнка не восстанавливается. Чтобы обеспечить наличие разделительной масляной плёнки на всей поверхности контакта, необходимо одну их трущихся поверхностей предлагается выполнить пористой, с шагом между порами, соизмеримым с величиной относительного смещения поверхностей. Получение таких структур методами порошковой металлургии освоено многими заводами. В муфте это можно выполнить в виде пористой вставки между контактирующими поверхностями. При отсутствии жидкой смазки в поры может быть введена сухая смазка на основе фторопласта, графита, сульфида молибдена и др. Предложенные рекомендации могут практически полностью исключить появление переменных сил и моментов при расцентровке осей валов роторных машин.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.