UA148263U

UA148263U - INSTALLATION FOR INVESTIGATION OF FLEXIBLE ROTOR OSCILLATIONS WHEN PASSING THROUGH RESONANCE

Info

Publication number: UA148263U
Application number: UAU202101033U
Authority: UA
Inventors: Віталій Павлович Ткачук; Юрій Віталійович Савицький; Ігор Іванович Ковтун; Андрій Володимирович Горошко
Original assignee: Хмельницький Національний Університет; Хмельницкий Национальный Университет
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2021-07-21

Abstract

Установка для дослідження коливань гнучкого ротора при проходженні через резонанс містить вал на двох опорах, приводний електродвигун з можливістю регулювання частоти і напряму обертання, систему вимірювання прогину. Також установка містить високоточну електронну систему керування, датчики безконтактного контролю вібрацій, високошвидкісні відеокамери, а також додаткову третю опору, яка має можливість переміщуватись вздовж вала (за рахунок наявності зазору 1…2 мм) та при цьому змінювати міжопорну відстань для дослідження поведінки ротора на перехідних режимах.Installation for the study of oscillations of the flexible rotor when passing through the resonance contains a shaft on two supports, a drive motor with the ability to adjust the frequency and direction of rotation, the system for measuring deflection. The unit also contains a high-precision electronic control system, contactless vibration control sensors, high-speed video cameras, as well as an additional third support, which can move along the shaft (due to a gap of 1… 2 mm) modes.

Description

Корисна модель належить до засобів дослідження та навчання, зокрема до експериментальних досліджень зниження вібрацій при проходженні через резонанс шляхом перетворення критичних обертів у некритичні, навчальних і наочних засобів з теоретичної механіки та опору матеріалів.The useful model belongs to research and teaching tools, in particular to experimental studies of vibration reduction when passing through resonance by converting critical rotations into non-critical, educational and visual aids in theoretical mechanics and resistance of materials.

Відомо, що ротори, як елементи конструкцій, знаходять широке застосування в машинобудуванні, авіаційній, корабельній, автомобільній та іншій техніці. Встановлено також, що при обертанні на певних режимах спостерігаються великі прогини вала. Робота на цих оборотах, що називаються критичними, супроводжується великими вібраціями, які в деяких випадках призводять до руйнування конструкції. Тому при дослідженнях та навчаннях у ЗВО необхідно звертати особливу увагу не тільки на вміння розраховувати критичні оберти роторів, а також вміти експериментально визначати небезпечні режими обертання різними способами та знати заходи боротьби з їх негативним впливом на конструкцію. Для ротора, у якого диск розташований посередині довжини вала, критичні оберти можна визначити за формулою, представленою, наприклад, в роботі (11: пе - 30 ГЕ пол Хт ; де:It is known that rotors, as structural elements, are widely used in mechanical engineering, aviation, ships, automobiles and other engineering. It was also established that large deflections of the shaft are observed during rotation at certain modes. Work at these revolutions, which are called critical, is accompanied by large vibrations, which in some cases lead to the destruction of the structure. Therefore, during research and training at the Higher Education Institution, it is necessary to pay special attention not only to the ability to calculate the critical rotations of rotors, but also to be able to experimentally determine dangerous modes of rotation in various ways and to know measures to combat their negative impact on the structure. For a rotor in which the disk is located in the middle of the shaft length, the critical revolutions can be determined by the formula presented, for example, in the work (11: пе - 30 GE pol Xt ; where:

Пкр. величина критичних обертів ротора;Pkr. value of critical rotations of the rotor;

С - жорсткість вала, що визначається теоретично в залежності від характеру опор; т - маса диска ротора.C - stiffness of the shaft, which is determined theoretically depending on the nature of the supports; t is the mass of the rotor disk.

Формула (1) виведена в припущенні, що маса вала дорівнює нулю.Formula (1) is derived under the assumption that the mass of the shaft is zero.

До аналогів корисної моделі можна віднести принципові схеми установок, запропонованих у роботі (11, Фіг. 8.01, Фіг. 8.18.Analogues of a useful model include the principle schemes of installations proposed in the work (11, Fig. 8.01, Fig. 8.18.

Основними елементами відомих установок є вал, на якому розташований або в центрі, або на консолі диск. Опори, на яких закріплений вал, можуть бути шарнірними або защемлені.The main elements of known installations are the shaft, on which the disk is located either in the center or on the console. The supports on which the shaft is fixed can be hinged or clamped.

Величину критичних обертів для схеми визначають за формулою (1). Відома схема дозволяє лише візуально спостерігати прецесійний рух обертового ротора.The value of critical revolutions for the circuit is determined by formula (1). The known scheme allows you to visually observe the precessional movement of the rotating rotor only.

Відома також лабораторна установка для демонстрації прецесійних рухів ротора (1) с. 295.A laboratory setup for demonstrating the precessional movements of the rotor (1) is also known. 295.

Установка містить об'єкт дослідження - вал на двох стаціонарних опорах, диск якого може встановлюватися в будь-якому місці між опорами за допомогою цангового затиску. Є додатковаThe installation contains the research object - a shaft on two stationary supports, the disk of which can be installed anywhere between the supports using a collet clamp. There is an additional one

Зо опора з обмежувачем прогину вала. Установка не дозволяє досліджувати вплив жорсткості опор ротора на величину критичних обертів ротора.From the support with the shaft deflection limiter. The installation does not allow to study the influence of the stiffness of the rotor supports on the value of the critical rotations of the rotor.

Найбільш близькою до корисної моделі є установка, описана в патенті (21.The closest to a useful model is the installation described in the patent (21.

Навчальна установка містить вал на двох опорах із жорстко та стаціонарно закріпленим в його середній частині диском, обмежувач прогину, приводний електродвигун з можливістю регулювання числа обертів і напрямку обертання, збудник прецесії на іншому кінці вала, систему вимірювання динамічного прогину вала і числа обертів вала, причому одна з опор виконана опорою змінної жорсткості, а в іншій опорі вкручений гвинт, стаціонарний диск, забезпечений штоком в площині обертання для установки на нього вантажів, змінний диск, встановлений на вільній консолі вала за допомогою цангового затиску. Крім того, установка обладнана системою вимірювання частоти власних коливань ротора, що складається з чутливого п'єзоелемента, що реєструє частоту поперечних коливань, генератора частоти і пристрою, виконаного на базі електронно-променевого осцилографа, для порівняння і візуального спостереження власних поперечних коливань ротора з частотою генератора.The training installation includes a shaft on two supports with a rigidly and stationary disk fixed in its middle part, a deflection limiter, a drive electric motor with the possibility of adjusting the number of revolutions and the direction of rotation, a precession exciter at the other end of the shaft, a system for measuring the dynamic deflection of the shaft and the number of revolutions of the shaft, and one of the supports is made of a support of variable stiffness, and a screw is screwed into the other support, a stationary disk equipped with a rod in the plane of rotation for installing loads on it, a variable disk installed on the free console of the shaft using a collet clamp. In addition, the installation is equipped with a system for measuring the frequency of natural oscillations of the rotor, which consists of a sensitive piezo element that registers the frequency of transverse oscillations, a frequency generator and a device based on an electron beam oscilloscope, for comparison and visual observation of natural transverse oscillations of the rotor with frequency generator

Недоліками даної установки є неможливість зміни жорсткості ротора (величини критичної частоти) під час роботи та дослідження коливань на перехідних режимах, відсутність безконтактних засобів контролю прогину ротора в міжопорній зоні, відсутність можливості цифрової обробки результатів запису вібрацій та неможливість спостереження за процесами в сповільненому режимі.The disadvantages of this installation are the impossibility of changing the stiffness of the rotor (value of the critical frequency) during operation and the study of oscillations in transient modes, the absence of non-contact means of controlling the deflection of the rotor in the inter-support zone, the absence of the possibility of digital processing of the results of recording vibrations, and the impossibility of monitoring processes in slow mode.

В основу корисної моделі поставлено задачу розширити область експериментальних досліджень та наочність при вивченні небезпечних режимів обертання роторів шляхом вивчення зв'язку критичних обертів з частотою власних поперечних коливань, із жорсткістю вала на згин, впливу жорсткості опор і прецесійного руху ротора на величину коливань, а також дослідження методів їх зниження шляхом перетворення критичних обертів у некретичні.The useful model is based on the task of expanding the field of experimental research and visibility in the study of dangerous modes of rotation of rotors by studying the relationship between critical revolutions and the frequency of their own transverse oscillations, with the bending stiffness of the shaft, the influence of the stiffness of the supports and the precessional motion of the rotor on the magnitude of the oscillations, as well as research of methods of their reduction by transforming critical rotations into non-critical ones.

Поставлена задача вирішується тим, що установка для дослідження коливань гнучкого ротора при проходженні через резонанс, що містить вал на двох опорах, приводний електродвигун з можливістю регулювання частоти і напряму обертання, систему вимірювання прогину, згідно з корисною моделлю, містить високоточну електронну систему керування, датчики безконтактного контролю вібрацій, високошвидкісні відеокамери, а також додаткову третю опору, яка має можливість переміщуватись вздовж вала (за рахунок наявності зазору 1...2 мм) і змінювати міжопорну відстань для дослідження поведінки ротора на перехідних режимахThe task is solved by the fact that the installation for studying the vibrations of a flexible rotor when passing through resonance, which contains a shaft on two supports, a drive electric motor with the possibility of adjusting the frequency and direction of rotation, a deflection measurement system, according to a useful model, contains a high-precision electronic control system, sensors non-contact vibration monitoring, high-speed video cameras, as well as an additional third support that can move along the shaft (due to the presence of a gap of 1...2 mm) and change the distance between the supports to study the behavior of the rotor in transient modes

Таким чином, пропонована експериментально-навчальна установка, що зображена на кресленні, має істотні відмінності від найближчого аналога. Система містить: ротор - 1, встановлений у 2-х підшипниках кочення - 2 і з'єднаний через муфту - З з електродвигуном - 4.Thus, the proposed experimental and educational installation depicted in the drawing has significant differences from the closest analogue. The system includes: a rotor - 1, installed in 2 rolling bearings - 2 and connected through a coupling - C with an electric motor - 4.

Максимальна частота обертання двигуна приводу повинна бути більшою 2-ї критичної вала.The maximum speed of the drive motor must be greater than the 2nd critical shaft.

Також система містить цифрову систему керування (комп'ютер - 9, регістратор - 8; контролер - 7); дві високошвидкісні (300 кадрів в секунду) камери - 10; датчик швидкості - 5, що використовується для передачі сигналу в систему керування для забезпечення високої точності частоти обертання; безконтактні, індуктивні датчики - б для контролю величини вібрацій (прогину вала); додаткову опору - 11, яка має можливість переміщуватись вздовж вала (за рахунок наявності зазору 1...2 мм) і змінювати міжопорну відстань для дослідження коливань на перехідних режимах.The system also includes a digital control system (computer - 9, recorder - 8; controller - 7); two high-speed (300 frames per second) cameras - 10; speed sensor - 5, which is used to transmit a signal to the control system to ensure high accuracy of the rotation frequency; non-contact, inductive sensors - b to control the magnitude of vibrations (shaft deflection); additional support - 11, which has the ability to move along the shaft (due to the presence of a gap of 1...2 mm) and change the distance between the supports to study oscillations in transient modes.

Експериментальна установка містить досліджуваний ротор, що складається із вала, який закріплений на двох опорах, систему вимірювання параметрів та їх реєстрації (ЕОМ). Установка має третю рухому опору, яка може переміщуватись вздовж вала та вступати в роботу при обертах, що близькі до критичних. Ротор приводиться в обертання електродвигуном, що має систему керування і дозволяє безступінчасто регулювати оберти від 0 до 24000 об/хв. Частоти власних коливань ротора визначаються наступними способами: по статичному прогину ротора шляхом його навантаження статичним зусиллям в поперечному напрямку; збудженням власних коливань ударом; візуально по тахометру і за результатами обробки записів вібрацій.The experimental setup contains the investigated rotor, which consists of a shaft that is fixed on two supports, a system for measuring parameters and their registration (EC). The installation has a third movable resistance, which can move along the shaft and come into operation at revolutions close to critical. The rotor is driven by an electric motor, which has a control system and allows you to continuously adjust the revolutions from 0 to 24,000 rpm. The frequencies of the natural oscillations of the rotor are determined in the following ways: by the static deflection of the rotor by loading it with a static force in the transverse direction; excitation of own vibrations by impact; visually by the tachometer and by the results of processing the vibration records.

Джерела інформації:. 1. Г.С. Скубачевский Авиационнье газотурбиннье двигатели, М.: Машиностроение, 1969. - 544 с. 2. Патент НО2024953С1, Учебная установка для демонстрации способов определения критических оборотов ротора, Г.П. Белов, Ю.А. Дмитриев, Е.В. Ерохина, И.Н. Куприянов, 1994- 12-15.Sources:. 1. H.S. Skubachevskii Aviation gas turbine engines, M.: Mashinostroenie, 1969. - 544 p. 2. Patent НО2024953С1, Training unit for demonstrating methods of determining critical rotor speeds, H.P. Belov, Yu.A. Dmitriev, E.V. Erokhina, I.N. Kupriyanov, 1994-12-15.

Коо)Coo)

Claims

USEFUL MODEL FORMULA An installation for studying the vibrations of a flexible rotor when passing through resonance, containing a shaft on two supports, a drive electric motor with the possibility of adjusting the frequency and direction of rotation, a deflection measurement system, which is distinguished by the fact that it contains a high-precision electronic control system, non-contact vibration monitoring sensors , high-speed video cameras, as well as an additional third support, which has the ability to move along the shaft (due to the presence of a gap of 1...2 mm) and at the same time change the distance between the supports to study the behavior of the rotor in transient modes.

4. 4. her. g. U E g r y M x h vi , / i i x i em i Ga i i u KI | dy By x still b -- ro rot tyt rt pa I I ii o hi y Х ui y opo o vann Shchi ii zh H ra 7 Х h М M ШЯ и х У Ь Ba Я 6. h. i iv.