Оценка вибраций опор подшипников агрегатов, установленных на колеблющемся фундаменте

УДК 624. 04

ОЦЕНКА ВИБРАЦИЙ ОПОР ПОДШИПНИКОВ АГРЕГАТОВ, УСТАНОВЛЕННЫХ НА КОЛЕБЛЮЩЕМСЯ ФУНДАМЕНТЕ

Г. К. Дёмин к. т. н., доц., Ю. Г. Креймер, к. т. н., доц.; Д. В. Юдин, студ.

Национальной металлургической академии Украины

Постановка проблемы. Фундаменты машин с динамическими нагрузками проектируются в соответствии со СНиП 2.02.05-87, где указано, что при групповой установке различного типа машин на общем фундаменте предельно допустимая амплитуда принимается 30% больше значений, соответствующих типу машины с наибольшей составляющей расчётной амплитуды без учёта соотношения частот колебаний агрегируемых машин [1].

В то же время нагрузки на подшипники машин пропорциональны ускорению колебаний фундамента, а для машин с вращающимися частями - пропорционально квадрату их числа оборотов.

В другом нормативном документе - «Правилах технической эксплуатации потребителей» [2] - нормативы вибраций предусматриваются для машин, установленных на неподвижных опорах.

Таким образом, возникает несогласованность нормативной базы эксплуатации машин с вращающимися частями.

Нерешённая часть проблемы. Измерительная аппаратура, устанавливаемая на опорах конкретного подшипника агрегата, фиксирует его собственные вибрации в сумме со сторонними, наведенными через фундамент от другого агрегата. Но в связи с тем, что при существенно разных частотах этих колебаний показания приборов могут давать искажённую картину нагрузок на подшипники.

Анализ влияния вибраций основания на величину нагрузки подшипников механизмов, приведенный в работах [3; 4], не рассматривает случай одновременной работы на одном фундаменте двух механизмов - источников вибрации с существенно разными характеристиками.

Целью работы является получение зависимости, позволяющей определить взаимное влияние колебаний разных типов оборудования, установленного на едином фундаменте.

Основная часть. Нормативы вибраций оборудования определяются, как правило, исходя из максимально допустимых нагрузок на его подшипники. В основном они возникают из-за неуравновешенности вращающихся частей машины -собственные нагрузки. Но при наличии вибраций фундамента, а, значит, и корпуса машины, на её ротор действуют силы инерции, вызывающие дополнительные нагрузки на подшипники - сторонние нагрузки.

Проведём оценку влияния сил инерции на общую нагрузку на подшипники. Расчётная схема представлена на рисунке

1.

Для упрощения анализа принимаем, что колебания от фундамента (стороннего источника колебаний) являются гармоническими и происходят по закону:

где - амплитуда колебаний;

- частота колебаний.

Динамическая нагрузка на подшипники является следствием двух движений:

1) вращения неуравновешенного ротора относительно условно неподвижного фундамента (машина установлена на неподвижных опорах) - относительное движение;

2) движения фундамента вместе с условно неподвижным ротором относительно земли - переносное движение, т. е.

,

где - нагрузка от неуравновешенности ротора - относительная нагрузка;

- нагрузка от сторонней вибрации - переносная нагрузка.

Расчёт следует проводить на максимальные воздействия, т. е. когда они являются однонаправленными. При гармонических колебаниях максимальные нагрузки определяются по формулам [5]:

РФ = тРафш ф.

Рр = тРеш р.

Для оценки дополнительной нагрузки от переносной силы инерции введём соотношение:

—

Рф асш

2 с

Рр еШ I

где е - приведенный эксцентриситет, учитывающий все виды неуравновешенности ротора.

В формуле (4) неопределённым является параметр е . Определим его по известной формуле, исходя из максимально допустимых вибраций ротора [5]:

Рр 1

^ = — тС

^(к2 -ш2) + 4Ь

2„ 2 Ш Р

где к - частота собственных колебаний ротора; Ь - коэффициент затухания колебаний.

тС

- масса фундамента вместе с массой неподвижных частей машины.

После подстановки формулы (2) в выражение (5) и несложных преобразований получаем:

т

л р =

т

С

(1 - (-*. )2)2 + 4(А )2

ш,

ш

Отсюда приведенный эксцентриситет ротора:

тг1

е — -

тС

(1 - (±-)2)2 + 4(А)2

ш

ш

Запишем теперь выражение (4) с учётом формулы (7):

кдоп —^• (^)2 ^• (

КДОП

тС ш р

(1 - (к )2)2 + 4(Ь )2)-1

ш

ш

Воспользуемся полученной зависимостью для реальной ситуации.

На тепловых электростанциях используются турбовоздуходувки (ТВД), предназначенные для нагнетания воздуха в паровые котлы.

Каждая ТВД состоит из вентилятора В и его привода - паровой турбины Т, которые соединены между собой редуктором Р. Они установлены на едином фундаменте Ф, представляющем собой конструкцию из сборно-монолитного железобетона (рис. 2).

е

в

р

Рис. 2. Схема турбовоздуходувки

Фундамент включает в себя монолитный массивный блок и сборную рамную часть, соединенную с массивом продольными железобетонными балками. Он выполнен единым в соответствии с положениями СНиП, так как турбина, рабочее число оборотов которой равно 6000 об./мин, практически не влияет на прочность фундамента. Контроль состояния ТВД предусматривает постоянное фиксирование вибраций опор турбины штатной аппаратурой, а вентилятора -периодическое, переносными приборами. При этом допустимые уровни вибраций опор подшипников турбины и вентилятора, согласно их техническим характеристикам, существенно различаются и составляют 40 и 100 мкм соответственно, причем на неподвижных опорах. Вследствие передачи вибраций от одного агрегата ТВД к другому допустимый уровень вибраций для ТВД в целом должен быть не более 40 мкм.

Однако для вентилятора такой низкий уровень вибрации является очень жестким, а, значит, и быстро достижимым в

процессе работы машины. Поэтому была необходимость во внеплановых остановах ТВД для балансировки вентилятора, или же ТВД работала с заниженной производительностью, что в обоих случаях приводило к существенным убыткам предприятия.

Проведем оценку влияния переносной силы на нагрузки подшипников каждого агрегата ТВД. Их технические характеристики приведены в таблице.

Таблица

Технические характеристики ТВД

Характеристики Агрегат Масса вращающихся частей т т Номинальная скорость вращения п об/мин Критическая скорость вращения об/мин Норматив вибраций опор подшипников мкм

Вентилятор 28 920 1030 100

Турбина 1,5 6000 7750 40

Влияние вибраций, наведенных вентилятором, на нагрузки по подшипникам турбины:

к

т

92

50,

ДОП

-—• еэ2 • (3

т

600

20

1 -

770 600

= 0,09 ^

тФ

где Ф - амплитуда колебаний, принятая максимально допустимой для вентилятора; аР - то же для турбины.

тр -« тс

Так как

к

то

ДОП

¡0

, т. е. при самом неблагоприятном режиме работы ТВД (даже без учета затухания колебаний в фундаменте) дополнительная (переносная) нагрузка исчезающе мала. Следовательно, учитывать ее при контроле вибросостояния турбины нельзя, так как такой контроль дает ложную информацию о нагрузках на подшипники турбины.

Оценим обратное влияние:

к

ДОП

тр

тс

92

50

(1 - А2)2 + 4(А)2

92

92

-1

При отсутствии затухания

к - 61

КДОП - 01

тс

Так как масса колеса вентилятора равна 28 т, а масса фундамента с неподвижными частями турбины - около 2000 т, то

ДОП ' , т. е. нагрузки от собственной (относительной) вибрации вентилятора и от сторонней (переносной) вибрации, значительно меньшей собственной, сопоставимы, что не учитывается измерительными приборами. Выводы.

1. Получена зависимость, позволяющая определить влияние вибраций, наведенных со стороны фундамента, на нагрузки подшипников установленного на нем оборудования.

2. Проведенные расчеты для конкретного объекта - турбовоздуходувки, состоящей из двух агрегатов, установленных на едином фундаменте, показали, что при наличии двух, отличающихся в несколько раз по частоте, вибраций:

а) низкочастотные сторонние вибрации практически не влияют на нагрузки подшипников агрегата, даже при их амплитуде, которая значительно больше амплитуды их собственной вибрации;

б) высокочастотные сторонние вибрации добавляют нагрузки, сопоставимые с нагрузкой от собственных вибраций, даже при амплитуде, которая намного меньше амплитуды собственной вибрации.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. СНиП 2.02.05-87 «Фундаменты машин с динамическими нагрузками». - М.: Госстрой СССР, 1988. - 36 с.

2. Правила технической эксплуатации потребителей и Правила технической безопасности при эксплуатации потребителей/ Сост. Копылов Ю. В., Беккер М. В., Отан В. В. и др. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1986. -392 с.

3. Рагульскис К. М. Механизмы на вибрирующем основании. - Каунас: Изд. АН Литовской ССР. - 284 с.

4. Креймер Ю. Г., Ткачёв С. М. Определение действительной величины нагрузки подшипников колеблющегося центробежного возбудителя. - Сб. «Детали машин». - К.: Техника, 1972. - № 14. - С. 85-89.

5. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле. - М.: Наука, 1967. - 444 с.

УДК 624. 04

Оценка вибраций опор подшипников агрегатов, установленных на колеблющемся фундаменте /Г. К. Демин, Ю. Г. Креймер, Д. В. Юдин //Вкник ПридншровськоТ державноТ академп будiвництва та арх^ектури. -Дншропетровськ: ПДАБА, 2008. - № 11. - С. 31-35. - рис. 2. - табл. 1. - Бiблiогр.: (3 назв.).

В нормативных документах максимально допустимые нагрузки на подшипники агрегатов определяются при условии, что они установлены на неподвижных опорах. Получена аналитическая зависимость, позволяющая определить дополнительные нагрузки на подшипники агрегатов, установленных на подвижном фундаменте. Расчеты, проведенные по этой зависимости, позволили дать конкретные рекомендации относительно улучшения эксплуатации реальной установки.