WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 

«УДК 58.33.81 А.Н. Попов, Ал.Н. Тимофеев, Е.А. Чернова ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ РОТОРОВ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ ЦЕНТРИФУГ Аркадий Николаевич Попов, профессор, к.т.н., каф. ...»

УДК 58.33.81

А.Н. Попов, Ал.Н. Тимофеев, Е.А. Чернова

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ РОТОРОВ

ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ ЦЕНТРИФУГ

Аркадий Николаевич Попов, профессор, к.т.н., каф.

«Автоматы», Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет, ул. Политехническая, 29, СанктПетербург, 195251, Россия.

Тел.: (812)5529686, E-mail: popov@sntspb.ru

Александр Николаевич Тимофеев, доцент, к.т.н., каф.

«Автоматы», Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, ул. Политехническая, 29, СанктПетербург, 195251, Россия.

Тел.: (812)5529686, E-mail: automats@inbox.ru Елена Анатольевна Чернова, магистр техники и технологии, каф. «Автоматы», Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, ул. Политехническая, 29, СанктПетербург, 195251, Россия.

Тел.: (812)5529686, E-mail: l.echernova@sntspb.ru Аннотация Приведено описание разрабатываемых в СПбГПУ испытательных центробежных стендов, предназначенных для воспроизведения больших перегрузок. Рассмотрены конструкции роторов центрифуг, защитного кожуха и оснастки. Выполнена оценка прочности элементов конструкции при больших ускорениях.

Ключевые слова: испытательная центрифуга, центростремительное ускорение, высоконагруженный ротор, конструкция.

A.N. Popov, A.N. Timofeev, E.A. Chernova

TRIAL CENTRIFUGE HIGH LOAD ROTORS RESEARCH



Ph.D. Arkadii N. Popov, Prof.; Department of Automatic Machinery, Ph.D. Aleksandr N. Timofeev, Ass. Prof., Department of Automatic Machinery, Elena A. Chernova, Master of science in engineering and technology, Department Automatic Machinery.

St. Petersburg Polytechnical University, Polytechnicheskaya, 29, St-Petersburg, 195251, Russia, Phone: +7(812)5529686, E-mail: automats@inbox.ru Abstract The description of the trial centrifuges designed to play major congestion developed at the Department of Automatic Machinery of St. Petersberg State Polytechnical University is given. The centrifuge rotor, guard, and equipment for the test product are analyzed. Proposed measures to solve the problems defined: strengthening of the rotor, changing the geometric shape and material equipment.

Key words: trial centrifuge, the centripetal acceleration, high load rotor, construction.

Центрифуги, предназначенные для градуировки датчиков ускорения, испытания предельных (пороговых) датчиков и исследования поведения изделий под воздействием больших перегрузок, разрабатываются на кафедре «Автоматы» в течение многих лет. В последнее время появилась необходимость в разработке центрифуг, воспроизводящих перегрузки, характерные для удара. В этом случае центростремительные ускорения, обеспечиваемые центрифугами, составляют тысячи единиц ускорения свободного падения – g. При значительных размерах испытуемых изделий и при требованиях переориентации объектов в процессе испытаний такие центрифуги проектируются с роторами (балками) значительного размера.

Плечи балок в этом случае, как правило, превышают 1 м, что обеспечивает необходимое распределение центростремительных ускорений по изделию. Высокие окружные скорости в совокупности с требованиями безопасности и уменьшения аэродинамических потерь приводят к необходимости монтажа центрифуг в специальных боксах и размещения роторов в кожухах.

На рис. 1 изображена схема центробежного стенда для испытаний на большие перегрузки.

Технические характеристики стенда следующие:

количество установочных мест на роторе – 2;

масса испытуемого изделия до 50 кг при расстоянии установочной позиции относительно оси вращения - 1000 мм;

диапазон воспроизводимых постоянных линейных ускорений – 150…20000 м/с2 и более;

Максимальное время непрерывной работы стенда:

- в диапазоне ускорений от 150 до 20000м/c2 – 20 мин.

Рис. 1. Структурная схема центробежного стенда 1 – мотор-шпиндель; 2 – ротор; 3 – оснастка с изделием; 4 – кожух;

5 – вращающееся контактное устройство (токосъемник);

6 – центробежный вентилятор; 7 – стойка управления;

8 – силовая стойка Центрифуга включает в себя мотор-шпиндель 1, на выходном фланце которого установлена ротор (балка) 2 в виде двух штанг. Балка установлена на поперечных шарнирах и имеет возможность качаться относительно горизонтальной оси. На торцах штанг крепится оснастка 3 для установки испытуемых изделий. К корпусу шпинделя крепится кожух 4, предназначенный для уменьшения аэродинамических потерь и защиты оборудования помещения от воздушных вихрей, возникающих при вращении ротора. На траверсе монтируется токосъемник 5 с различными устройствами коммутации, обеспечивающими связь вращающегося испытуемого изделия с неподвижной регистрирующей аппаратурой.

Поскольку центрифуга может работать и на низких скоростях вращения, когда вентилятор двигателя не эффективен, то для охлаждения мотор-шпинделя используется отдельный центробежный вентилятор 6.

Применение мотор-шпинделя исключает в приводе балки промежуточные передачи и соединительные муфты, что в совокупности с безлюфтовыми опорами обеспечивает наилучшие условия передачи вращающего момента от двигателя к ротору и минимальные габариты центрифуги по высоте.

Угловая скорость балки задается и контролируется устройством управления стенда. При вращении балки, на изделие действует поле центростремительных ускорений. В центре изделия, установленного в оснастке 3, ускорение равно a 2 R, где – скорость вращения балки, 1/с;

R – расстояние от оси вращения балки до центра испытуемого изделия.

Стенд оснащен комплектом датчиков, позволяющим контролировать параметры работы центрифуги и окружающей среды. С помощью инкрементного датчика угла (энкодера), установленного непосредственно на шпинделе, осуществляется управление и измерение скорости вращения.

При создании центрифуг для испытания крупногабаритных изделий на большие перегрузки на первый план выходит требование прочности несущей конструкции роторов, оснастки для изделий, коммуникаций, подводимых к изделию, и безопасности работы центробежного стенда в целом. В работе анализируются конструкции роторов центрифуг (рис. 2), предназначенных для воспроизведения нагрузок в диапазоне ускорений g.

Рис. 2. Роторы центрифуг для испытаний на большие перегрузки 1 – штанга; 2 – корпус балки; 3 – гайки крепления штанг; 4 – гайки крепления оснастки; 5 – траверса (внутри корпуса) Роторы выполнены в виде двух штанг 1 из высокопрочной стали, и закреплены относительно сварного корпуса 2 гайками 3. Оснастка из титанового сплава (рис. 4) специальным образом выставляется и закрепляется на штангах гайками 4 на заданном расстоянии от оси вращения. Траверса 5 крепится винтами к ротору шпинделя, а корпус 2 вместе со штангами 1 и с закрепленным на них испытуемым изделием имеет возможность качаться относительно траверсы на двух конических роликовых подшипниках, установленных с предварительным натягом.

Угол качания балки ограничивается упорами, оснащенными датчиками силы. Благодаря датчикам, можно контролировать неуравновешенную силу, вызванную дисбалансом конструкции или нештатными ситуациями.

На корпусе ротора устанавливаются панели разъемов для проводов и других коммуникаций, идущих от испытуемого изделия к токосъемнику.

Штанги роторов изготовлены из стали 30ХГСА ( Т = 850МПа, В = 1100 МПа), и работают, в основном, на растяжение. Центробежные силы, возникающие вследствие эксцентричного положения штанг относительно оси вращения, в этом случае воспринимаются испытательной оснасткой и корпусом 2.

На рис.

3 показано поле центробежных сил, действующих на элементы ротора:

Рис. 3. Поле центробежных сил, действующих на элементы ротора Оснастка (рис. 4) расположена на значительном расстоянии от оси вращения ротора. Она нагружена как изгибающими центробежными силами, так и растягивающими в месте соединения со штангами. К оснастке предъявляются высокие требования как по прочности, так и по удельным характеристикам. Материал оснастки - титановый сплав ВТ14 ( Т =850 МПа, В =1070 МПа). Масса оснастки определяет растягивающую нагрузку, действующую на штанги, момент инерции вращающейся части центрифуги и аэродинамическое сопротивление.

Расчет и конструирование оснастки при проектировании центрифуг на большие перегрузки является важным и ответственным этапом при проектировании.





На рис. 4 изображено два типа оснастки для крепления испытуемых изделий.

Рис. 4. Оснастка для закрепления изделий. 1 – отверстия для штанг ротора;

2 – отверстия для установки испытуемого изделия На рис. 5 представлена трехмерная расчетная модель ротора центрифуги, состоящая из наиболее напряженных деталей ротора: штанг 1, закрепленных в корпусе 2, и оснастки 3. Первичная оценка прочности ротора выполнена посредством компьютерного моделирования с помощью простой универсальной среды SolidWorks Simulation.

Рис. 5. Расчетная модель ротора центрифуги 1 – штанги; 2 – корпус; 3 – оснастка с испытуемым изделием Оценка на этапе проработки вариантов конструктивных решений выполнена при предельном ускорении 50000 м/с2, что на плече расположения изделия R = 1000 мм, соответствует угловой скорости = 214,6 рад/c.

Результаты моделирования в виде эпюры эквивалентных напряжений изображены на рис. 6.

Рис. 6. Эпюра эквивалентных напряжений в роторе центрифуги Из рис. 6 видно, что возникающие напряжения по абсолютной величине превосходят предел прочности материалов штанги max = 1546 МПа (30ХГСА, Т = 850МПа, В = 1100 МПа) и сварного корпуса max = 368 МПа (Сталь 20, Т =260МПа, В =420 МПа) в местах соединения со штангами.

Для снижения напряжений в роторе, рассмотрена усиленная конструкция с серьгами, которые крепятся шпильками к корпусу ротора (рис.7). Шпильки выполнены из легированной стали 40Х ( Т =650МПа, В =800 МПа).

Рис. 7. Расчетная модель ротора с серьгами 1 – штанги; 2 – корпус; 3 – оснастка; 4 – серьги; 5 – шпильки Рис. 8. Эпюра эквивалентных напряжений в усиленном роторе центрифуги Из рис. 8 можно сделать вывод о том, что серьги снижают напряжения в корпусе (в месте контакта со штангами) на 110 МПа. Таким образом, максимальные напряжения в корпусе составляют max =258 МПа, что соответствует пределу текучести материала корпуса. Согласно рис. 8 максимальные эквивалентные напряжения в шпильках, которые крепят серьги к корпусу, составляют max = 485 МПа, что меньше Т =650МПа.

Оценка напряжений в технологической оснастке выполнена согласно расчетной модели рис. 7. Эпюры эквивалентных напряжений в оснастках двух типов изображены на рис. 9 и рис. 10.

Рис. 9. Эпюра эквивалентных напряжений в оснастке 1

Согласно рис. 9 максимальные эквивалентные напряжения в оснастке 1-го типа составляют max = 1306 МПа, что значительно превышает предел прочности материала (ВТ14) В =1070 МПа, также присутствуют зоны с напряжениями близкими к пределу текучести Т =850 МПа, из чего следует сделать вывод о необходимости изменения конструкции оснастки.

Из эпюры эквивалентных напряжений, показанной на рис. 10, следует, что max = 3452 МПа. Однако, данные напряжения возникают в местах соединения цилиндрической поверхности с проушинами для крепления оснастки на штангах и составляют малую часть объема оснастки. Эта проблема решается за счет увеличения радиусов скругления в соединении. Но так как напряжения в значительном объеме детали составляют 860-1500 МПа, что превышает предел прочности материала, поэтому здесь также требуется переработка конструкции.

Рис. 10. Эпюра эквивалентных напряжений в оснастке 2 При техническом проектировании ротора планируется провести исследование различных форм оснастки с тем, чтобы она выдерживала максимальные ускорения. Главная идея заключается в перераспределении напряжений в технологической оснастке и уточнении расчетных моделей с переходом на "тяжелые" расчетные пакеты. Это подход отражен на рис. 11.

Рис. 11. Рассматриваемые виды оснастки Мощность электродвигателей центрифуг для испытаний на большие перегрузки при плечах 1000 мм и изделиях массой до 10 кг, как правило, составляет 200…250 кВт. Большая часть этой мощности идет на турбулизацию воздуха при вращении ротора. С целью уменьшения аэродинамических потерь и уменьшения воздействий на окружающее оборудование, центрифуги помещают в специальные кожухи.

Кожухи особенно важны в случае высоких линейных скоростей на торцах балок и при больших плечах роторов. Один из вариантов конструкции кожуха центрифуги, диаметром 3,5 м на рис. 12.

Рис. 12. Кожух центрифуги 1 – барабан; 2 – сектор; 3 – дверь; 4 – ловители

Кожух представляет собой сборно-сварную конструкцию из шести секторов 2 и одного барабана 1, пять из шести секторов жестко соединяются между собой и с барабаном, а один выполняет функцию распашной двери 3. Сектора и барабан выполнены из листового материала, раскроенного на лазерной машине с ЧПУ. Высокая точность изготовления деталей позволила реализовать простую технологию сборки без применения традиционной в таких конструкциях сварочной технологической оснастки. Для предотвращения смещения деталей при сварке, в деталях предусмотрены шипы и соответственно пазы для однозначного позиционирования. Дверь 3 при закрытии фиксируется относительно ловителей 4 и стопорится при завинчивании специальных гаек. На кожухе предусмотрен, ряд блокировок, которые не допускают пуск центрифуги или переводят центрифугу в режим аварийного торможения при отклонениях в работе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дьяченко В.А., Тимофеев Ал.Н., Попов А.Н. Градуировочные и испытательные стенды кафедры Автоматы – СПб: Научнотехнические ведомости СПбГПУ, 2007, №4.

2. Евграфов А.Н., Каразин В.И. Труды СПбГПУ №504. О разработках ротационной градуировочной и испытательной техники – СПб:

СПбГПУ, 2007.

3. Чернова Е.А. Испытательная центрифуга для больших перегрузок // XL неделя науки СПбГПУ: материалы международной научнопрактической конференции. Ч. IV. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та,



Похожие работы:

«Петухов Илья Витальевич ПРЕДСТАВЛЕНИЕ АЛГОРИТМОВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО АНАЛИЗА ДАННЫХ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СРЕДАХ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ АКТОРОВ Специальность 05.13.11 – Математическое и программное обеспе...»

«ББК Ч481.251 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКТИВНЫХ МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ ПРИ ПОДГОТОВКЕ СПЕЦИАЛИСТОВ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ГОСУДАРСТВЕННЫХ И МУНИЦИПАЛЬНЫХ ЗАКАЗОВ И.А. Кудинова, А.М. Рубанов ГОУ ВПО "Тамбовский государственны...»

«МАЗАНОВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГАЗОВЫХ СКВАЖИН (на примере месторождений Крайнего Севера) Специальность: 25.00.17 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений АВТОРЕФЕРАТ диссертации на...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Кафедра строительного производства, оснований и фундаментов Игашева С.П. ГЕОЛОГИЯ УЧЕБНОЕ ПОСОБ...»

«Раздел 2 МЕХАНИЗМЫ АНАЛОГИИ В ФОРМИРОВАНИИ КАТЕГОРИИ АНГЛИЙСКИХ НАИМЕНОВАНИЙ ОДЕЖДЫ Поскольку главным принципом моделирования в современной системе словообразования мы считаем аналогию (конечно, при условии, что нами признаются разные типы аналогии как тип...»

«КЛИНИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА КАЗАХСТАНА №2 (25) 2012 УДК616.3 СОВРЕМЕННЫЕ АСПЕКТЫ ПАТОГЕНЕЗА ВИРУСНОГО ФИБРОЗА ПЕЧЕНИ Калиаскарова К.С., Баймагамбетова Ж.Б., Умурзакова Р.С., Сейдгапарова М.У., Жусупбек С.Ж., Шевченко С.А., Васильева В.В., Вишневская В.Н. АО "Национальный научный медицинский центр", г. Аст...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ­ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ ШЕСТЬДЕСЯТ ШЕСТАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ СТУДЕНЧЕСКАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ГУАП Часть...»

«Ермолаев Денис Михайлович Исследование детектирования терагерцового излучения короткопериодными массивами полевых транзисторов на основе наногетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микр...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.