Программные средства для балансировки валопроводов и гибких роторов

УДК 62.251

В. В. Туктарова, И. Н. Сидоров

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ БАЛАНСИРОВКИ ВАЛОПРОВОДОВ И ГИБКИХ РОТОРОВ

Ключевые слова: программные средства, балансировка, валопровод, гибкий ротор, теоретико-экспериментальный метод

балансировки.

В статье представлен обзор программных продуктов используемых для многоплоскостной балансировки ва-лопроводов и гибких роторов различных машин, в том числе энергетических. Приведено описание программного комплекса «Рабочее место балансировщика», позволяющего решать широкий спектр задач балансировки, а также методики расчета корректирующих грузов, на базе которых создан программный комплекс.

Keywords: software tools, balancing, shaft train, flexible rotor, semitheoretical method of balancing.

Overview of software for multiplanar balancing of shaft trains and flexible rotors of different ma-chines including energy machines is presented in the article. The description of the «Balancer work-space» software package which allows to solve a wide range of balancing tasks and the methods of calculating the corrective weights, based on which the software package is created are described.

Введение

Балансировка роторов - это процесс компенсации имеющихся дисбалансов с помощью установки балансировочных грузов в штатные плоскости балансировки. Методики расчета балансировочных (корректирующих) грузов основаны или на методе проведения балансировки по собственным формам или на методе балансировки по динамическим коэффициентам влияния (ДКВ). При реализации различных методик необходимо проводить большое количество расчетов, в том числе рассчитывать оптимальное расположение и массу корректирующих грузов в плоскостях балансировки, что невозможно сделать в ручном режиме особенно при многоплоскостной балансировке. Поэтому при создании новых методик балансировки или усовершенствовании имеющихся разрабатываются программные средства для осуществления необходимых расчетов. В работе приведено описание теоретико-экспериментального метода балансировки роторов и программного комплекса «Рабочее место балансировщика» необходимого для ее реализации.

Программные средства для балансировки валопроводов и роторов

Среди российских программных средств для балансировки роторов и валопроводов турбоагрегатов, описание которых приведено в открытых источниках, можно выделить следующие:

- гибридная экспертная система «Балансировка турбоагрегатов», авторы Сапотницкий А.Я., Шаля С.М. [1];

- автоматизированное рабочее место «Вибрация» (АРМ «Вибрация»), автор Гольдин А.С. [2];

- программа «Балансировка вращающихся механизмов», научно - производственное предприятие «Измерительные технологии» [3];

- программа балансировки VBAL, ассоциация ВАСТ (ВиброАкустические Системы и Технологи) [4];

- балансировочный калькулятор (одно-, двух- и трехплоскостной), ООО «Кинематика» [5];

- экспертная система «Аврора-2000», Виброцентр [6].

Во всех перечисленных программах не учитываются следующие элементы:

1. Не рассматривается необходимость и алгоритм пересчета значений параметров вибрации, замеренных, как правило, на стойках опор, на значения параметров вибрации опирающегося на них участка вала (алгоритм идентификации динамических характеристик стоек опор на основе динамических характеристик масляной пленки подшипников).

2. Отсутствует возможность создания новой или корректировки ранее созданной роторной структуры. В программе АРМ «Вибрация» есть возможность выбора типа турбоагрегата из меню типов и добавления плоскостей коррекции при добавлении матриц ДКВ.

4. ДКВ вводятся в базу данных программы вручную или рассчитываются самой программой на основе данных пробных пусков (экспериментальный способ определения ДКВ).

5. В некоторых программах ограничено количество одновременно используемых плоскостей коррекции при проведении балансировки.

6. Программы не предназначены для балансировки гибких роторов на нескольких частотах вращения одновременно.

Программный комплекс «Рабочее место балансировщика»

Программный комплекс «Рабочее место балансировщика» (ПК РМБ) создан с учетом добавления вышеперчисленных элементов на основе теоретико-экспериментального метода

балансировки и включает в себя два варианта программы:

- ПК РМБ ВТ для балансировки валопроводов на рабочей частоте на объекте эксплуатации;

- ПК РМБ РБС для балансировки гибких роторов на околокритических и рабочей частотах вращения на разгонно-балансировочных стендах (РБС).

Этапы теоретико-экспериментального метода определения дисбалансов при балансировке вало-проводов на рабочей частоте на объекте эксплуатации приведены в статье [7].

Методика балансировки гибких роторов отличается от балансировки валопроводов, это связано со следующими проблемами:

- необходимость подбора дисбалансов, устраняющую повышенную вибрацию на нескольких частотах вращения одновременно;

- устранение повышенной вибрации на околокритических частотах (особенно на второй частоте) приводит к большому числу пусков ротора;

- значения параметров вибрации ротора вало-провода замеряются не на самом валу, а на корпусе стоек опор. Значения параметров вибрации на стойках не дают полного представления о влиянии корректирующих грузов на вибросостояние ротора, поэтому важной задачей является идентификация динамических характеристик опор ротора на основе экспериментальных данных и математической модели ротора.

Предлагаемый метод определения дисбалансов при балансировке гибкого ротора на околокритических и рабочей частотах вращения включает в себя три этапа:

1-ый этап необходим для определения коэффициентов жесткости и демпфирования смазочного слоя подшипников и состоит из 3 шагов:

1.1. Проведение эксперимента и осуществление замеров параметров вибрации (виброскорости);

1.2. Определение нагрузки на подшипник с помощью математической модели гибкого ротора. Математическая модель приведена в работе [8];

1.3. Определение коэффициентов жесткости и демпфирования смазочного слоя подшипников;

2-ой этап необходим для идентификации коэффициентов жесткости и демпфирования всей опоры ротора в целом и состоит из двух шагов:

2.1. Определение опорных динамических реакций на каждой опоре;

2.2. Определение коэффициентов жесткости и демпфирования всей опоры в целом. Алгоритм расчет коэффициентов изложен в [9];

На 3-ем этапе с помощью математической модели динамики гибкого ротора вычисляют элементы матрицы влияния единичных дисбалансов в £-ой плоскости коррекции на гармонические составляющие векторов виброскоростей на валу в месте q-ой опоры и с помощью вычисленных динамических характеристик опор находят матрицы ДКВ на опорах и искомые дисбалансы. Для выполнения этапа необходимо осуществить три шага:

3.1. Определение ДКВ единичных дисбалансов в штатных плоскостях балансировки ротора на виброскорости на валу;

3.2. Определение ДКВ единичных дисбалансов в плоскостях балансировки ротора на виброскорости на опорах;

3.3. Определение дисбалансов необходимых для уменьшения виброскорости.

На основе данного метода и был разработан программный комплекс «Рабочее место балансировщика». Для практического устранения повышенной вибрации гибкого ротора в местах опор совместно на трех частотах вращения - двух частотах вращения, близких к критическим и на рабочей частоте

вращения с помощью ПК РМБ РБС разработан алгоритм, в рамках которого необходимо провести следующие замеры и вычисления:

1. На первом пуске гибкого ротора на разгонно-балансировочном стенде (без пробных грузов) проводится «разгон» до первой частоты О., = ОКР - АО и частоты О2 = О2Р - АО (частота АО подбирается с учетом условия допустимости вибрации на опорах РБС) и на этих частотах замеряются амплитуда и фаза вертикальных виброскоростей на опорах.

Используя «примерные» ДКВ, полученные на предыдущих пусках, с помощью разработанного программного комплекса ПК РМБ РБС проводится расчет рационального расположения пробных дисбалансов, доставляющих

минимальные остаточные виброскорости на опорах РБС.

2. На втором пуске гибкого ротора с системой пробных грузов, вычисленных согласно п. 1, осуществляется последовательный «разгон» до частоты О1 = ОКР - АО и частоты О2 = О2Р - АО и на этих частотах замеряются амплитуда и фаза вертикальных виброскоростей на опорах.

С помощью программного комплекса ПК РМБ РБС расчетным путём на основе замеров п.п. 1, 2 формируются матрицы ДКВ1 - АО1,

ДКВ2 - АП2.

Используя расчетные ДКВ1, ДКВ2, с помощью ПК РМБ РБС проводится расчет рационального расположения пробных дисбалансов, доставляющих минимальные остаточные виброскорости на опорах РБС.

3. На третьем пуске гибкого ротора с системой пробных грузов, вычисленных согласно п. 2, осуществляется последовательный «разгон» до частот О1 = ОКР - АО, О2 = О2Р - АО и на этих частотах замеряются амплитуда и фаза вертикальных виброскоростей на опорах. В случае допустимости вертикальных виброскоростей на опорах на критической частоте О2Р осуществляется разгон до рабочей частоты О3 = ОРаб и на частотах О2Р, О3 = ОРаб замеряются амплитуда и фаза вертикальных виброскоростей на опорах.

С помощью ПК РМБ расчетным путём на основе замеров формируются матрицы ДКВ1 -

АО1, ДКВ2 - АО2, ДКВ3 - АО3, на их основе составная матрица V, вида

VО

и решается система уравнений

/Тг;

"О " ехр,О

-

по определению эквивалентных дисбалансов D , устраняющих повышенную вибрацию на всех трех частотах вращения гибкого ротора, где vexp О

- вектор экспериментальных значений виброскоростей.

4. На четвертом пуске гибкого ротора с системой пробных грузов, вычисленных согласно п. 3, осуществляется последовательный «разгон» до частот Ц = О?5 , О2 = О.1? , О3 = Ораб и на этих частотах замеряются амплитуда и фаза вертикальных виброскоростей на опорах. В случае допустимости вертикальных

виброскоростей на опорах, соответствующих принятым нормам, процесс балансировки прекращается. В противном случае на основе замеров п.п. 3,4 проводятся расчеты корректирующих грузов и осуществляется пятый пуск с соответствующими замерами.

Решение системы (1) имеет вид

=(ЧЦЧЦ) Ч^ехрЦ, а минимальная невязка виброскоростей вычисляется по формуле:

^0! = VexP,al - АО1 () 1 Ч^ехр.О: . I = 1. 3

Все расчеты производятся в автоматическом режиме ПК РМБ РБС.

На всех этапах расчета можно проанализировать и визуализировать результаты расчетов (построение гистограмм: размахов виброскоростей, статических реакций, амплитуд динамических реакций, диаграмм вертикальных виброскоростей), рис. 1.

о »-а w

Рис. 1 — Окно «Результаты расчета грузов» ПК РМБ РБС

ПК РМБ обладает шировким кругом возможностей и позволяет решать следующие задачи:

1. Вводить и редактировать параметры расчетной модели валопровода и его отдельных роторов и параметры, связанные с вибрационным состоянием валопровода.

2. Определять расчетным путем матрицы динамических коэффициентов влияния корректирующих грузов, коэффициентов жесткости и демпфирования стоек опор.

3. Производить расчет параметров дополнительных грузов (масса и фаза расположения груза), обеспечивающих минимальные остаточные виброскорости и значения этих виброскоростей для различных вариантов расположения грузов в выбранных плоскостях коррекции.

4. Производить расчет остаточной вибрации по заданным параметрам дополнительных грузов.

5. Определять при известных дисбалансах динамические коэффициенты влияния вертикальных смещений опорных подшипников (при балансировке валопровода на объекте эксплуатации).

6. Определять для выбранных подшипников величины их вертикального смещения, обеспечивающие совместно с дополнительными грузами минимально возможный уровень вибрации опор (при балансировке валопровода на объекте эксплуатации).

7. Производить расчет остаточных статических и динамических опорных реакций.

Заключение

На основе разработанного теоретико- экспериментального метода определения дисбалансов при балансировке валопроводов и гибких роторов был создан программный комплекс «Рабочее место балансировщика» и алгоритм определения дисбалансов при балансировке гибкого ротора на околокритических и рабочей частотах вращения.

ПК РМБ позволяет на основе математической модели отдельного ротора и валопровода теоретико - экспериментальным способом определять динамические характеристики стоек опор, расчетным путем определять матрицы динамических коэффициентов влияния отдельного ротора и валопровода в целом, вычислять балансировочные грузы, обеспечивающие минимальные остаточные виброскорости опор на рабочей частоте (при балансировке на объекте эксплуатации) и на трех частотах вращения (при балансировке ротора на разгонно - балансировочном стенде).

К достоинствам данной программы можно отнести следующее:

- программный комплекс может быть использован для расчета балансировочных грузов и при балансировке гибких роторов на разгонно - балансировочном стенде и для балансировки валопровода на объекте эксплуатации с учетом всех особенностей каждого вида балансировки;

- в ПК РМБ предусмотрена возможность создания роторной структуры. Пользователь имеет возможность создавать необходимую ему модель вало-провода (ротора) или корректировать ранее созданную;

- в ПК РМБ заложен механизм пересчета значений виброскоростей, замеренных на стойках опор на соответствующие им значения виброскорости вала;

- ПК РМБ имеет удобный графический интерфейс, с помощью которого можно анализировать и визуализировать результаты расчетов.

Литература

1. А.Я. Сапотницкий, С.М. Шаля. Гибридная экспертная система «Балансировка турбоагрегатов» [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://proxy.math.rsu.ru /library/doc/bal_ctat.txt.

2. А.С. Гольдин, А.С. АРМ «Вибрация». [Электронный ресурс]- Режим доступа: www.math.rsu.ru/acd-turbina/38.txt.

3. НПП «Измерительные технологии». Программа «Балансировка вращающихся механизмов» [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: //mtels.ru/ so ftware/balance.html.

4. Ассоциация ВАСТ (ВиброАкустические Системы и Технологии). Программы балансировки VBAL [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.vibrotek.ru/russian/malyih_mashin, http://www.vibrotek.ru/russian/ vbalpro32m

5. ООО «Кинематика». Балансировочный калькулятор [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://oookin.ru/soft.html.

6. Вибро-центр. Экспертная система «Аврора-2000» [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://vibrocenter.ru/aurora.htm.

7. И.Н. Сидоров, В.В. Туктарова. Вестник технологического университета, 18, 5, 164-169 (2015).

8. С.С. Евгеньев, В.И. Савинов, И.Н. Сидоров, В.В. Семенова. Энергетик, 4, 36-39 (2010).

9. И.Н. Сидоров, В.В. Туктарова. Научно-технический вестник Поволжья, 6, 329-332 (2014).

© В. В. Туктарова, канд. техн наук, ст. препод. каф. приборостроения, Чистопольский филиал «Восток» КНИТУ им. А.Н. Туполева - КАИ, vvs828@mail.ru; И. Н. Сидоров, д-р физ.-мат. наук, проф., зав. каф. теоретической и прикладной механики и математики КНИТУ им. А.Н. Туполева -КАИ, sidorovin@mail.ru.

© V. V. Tuktarova, Cadidate of Science, head teacher of department of Instrumentation, Chistopol branch of «Vostok» of KNRTU named after A.N.Tupolev, vvs828@mail.ru; 1 N. Sidorov, Dr. Sci. in Physics and Mathematics, professor, Head of department of Theoretical and Applied Mechanics and Mathematics, KNRTU named after A.N.Tupolev, sidorovin@mail.ru.