исследований работоспособности мехатронных гидростатических подшипников.
Схема проектируемой экспериментальной установки представлена на рисунке 1.50. Основным узлом экспериментальной установки (рисунок 1.50) является стальной корпус 1, установленный на массивной станине 2. Корпус имеет отверстия с резьбой для крепления элементов системы подачи смазочного материала (вода) 3 и датчиков давления (КРТ-С, ОАО «Орлэкс») 4. В корпус 1 крепится подшипниковый узел 5, который имеет в своей наружной части отверстия для крепления датчиков перемещения (IA5-18GM-I3 «Pepperl+Fuchs») 6 (по два на каждую опору в двух взаимоперпендикулярных направлениях) и элементов системы слива смазочного материала 7.
а)
б)
Рисунок 1.50 − Экспериментальная установка
Ротор моделируется ступенчатым валом 8, на который крепятся втулки 9 для образования опорных поверхностей подшипника скольжения. Резьбовые отверстия 10 посередине предназначены для создания дисбаланса путем ввинчивания грузов различной массы. Роль привода выполняет асинхронный электродвигатель АИР80A2EY3 (Nном = 2,2 кВт, nном = 3000 об/мин) 11 с частотным преобразователем 12, что позволяет варьировать частоту вращения без применения промежуточных передач (n = 0…12000 об/мин). Вал двигателя соединен с валом 8 через электромагнитную муфту 13.
Технические характеристики экспериментальной установки указаны в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Технические характеристики экспериментальной установки
Параметр экспериментальной установки
|
Значение параметра
|
Масса ротора
|
4 кг
|
Смазочный материал
|
вода
|
Давление подачи смазки в питающие камеры
|
0,2 МПа
|
Диапазон частот вращения ротора
|
0…12000 мин-1
|
Гидростатодинамические подшипники (рисунок 1.51), изготовлены из бронзы БрО10Ф1 и имеют следующие параметры: номинальный диаметр D = 40 мм; длина опорной поверхности L = 66 мм; число питающих прямоугольных камер NК = 4; длина камеры LK = 46 мм; ширина камеры BK = 8 мм. В качестве компенсаторных устройств используются дроссели длиной lH = 3 мм и диаметром dH = 0,8 мм. Овальность, конусообразность и бочкообразность опорной поверхности, измеренные посредством прибора для измерений отклонений формы и расположения поверхностей вращения «Абрис-К10.2», не превышают 6 мкм, а шероховатость на уровне Rа = 0,63 мкм.
Подача смазочного материала в область радиального зазора осуществляется посредством жиклеров, закрепленных в четырех радиальных отверстиях, соединяющих прямоугольные питающие камеры с коллектором, выполненным в виде кольцевой проточки на наружной поверхности втулок (рисунок 1.51). В коллектор смазочный материал поступает под давлением через входной штуцер, установленный в корпусе . Отработанная жидкость сливается во внутреннюю полость установки, откуда она уходит через сливной штуцер, а также через сливные отверстия, размещенные в полости подшипниковых узлов.
Сборка испытуемого роторно-опорного узла осуществляется по посадке H7/e8, которая обеспечивает гарантированный радиальный зазор не менее 50 мкм. Измеренный средний радиальный зазор составляет h0 = 75 мкм.
Рисунок 1.51 –Подшипник с прямоугольными питающими камерами
Основными контролируемыми параметрами при проведении экспериментальных исследований были траектории движения ротора и частотно-временные характеристики ротора и промежуточных втулок на основном режиме работы и при выбеге, что позволило косвенно оценить момент трения в комбинированных опорах.
К управляющим факторам, определяющим поведение исследуемого объекта (ротора), относятся как конструктивные и геометрические характеристики ротора (его инерционные и упругие свойства, число и расположение опор и т.д.) и подшипника (тип, длина и диаметр, профиль опорной поверхности, число и форма камер, зазор и т.д.), так и рабочие параметры динамического процесса (скорость вращения ротора , статическая mg и динамическая m2 нагрузки, плотность и вязкость смазочного материала, давление p0 и температура T0 его подачи и другие параметры).
Управляемыми параметрами (функциями отклика), являются: траектории движения центра цапфы, амплитудно-частотные характеристики, границы устойчивости, динамические коэффициенты смазочного слоя и т.д.
Учитывая огромную трудоемкость и стоимость проведения экспериментальных исследований по изучению влияния всех факторов, определяющих динамику ротора, ограничиваем их число лишь основными, среди которых: статическая и динамическая нагрузки; частота вращения ротора; давление и температура подачи смазочного материала. Диапазоны измерения этих параметров определяются рабочими характеристиками спроектированных экспериментальных стендов и приведены в таблице 1.3.
Таблица 1.3 – Управляющие параметры роторной системы
№
|
Управляющий
параметр
|
Размерность
|
Диапазон
измерения
|
Число
уровней, n
|
1
|
Частота вращения, n
|
об/мин
|
0…12 000
|
13
|
2
|
Давление, P0
|
МПа
|
0.1…0.5
|
5
|
3
|
Дисбаланс, m
|
кгм
|
(10…50)10-5
|
5
|
4
|
Температура, T0
|
К
|
293…323
|
6
|
5
|
Cтатическая сила, mg
|
Н
|
0…245
|
50
|
Проведение экспериментальных исследований в соответствии с таблицей 1.3 приводит к необходимости планирования многофакторного эксперимента. При планировании эксперимента вследствие большей точности и меньших затрат времени использовался факторный план, когда все уровни одного фактора комбинируются со всеми уровнями остальных [18].
Для минимизации влияния случайных воздействий, неконтролируемых при проведении опытов и не зависящих от их условий, выполняется рандомизация проведения опытов. Рандомизация позволяет почти полностью устранить эффект от случайных внешних воздействий. В качестве метода планирования экспериментальных исследований в данном случае был принят метод построения D-оптимальных планов, которые минимизируют обобщенную дисперсию рассеивания оценок коэффициентов регрессии и, тем самым, минимизируют взаимное влияние управляющих факторов друг на друга.
Математическую модель для данного эксперимента и принятого факторного плана можно представить в виде [18]:
 . (1.34)
где  – измеряемая величина (функция отклика) в m-ом наблюдении;
– общий эффект во всех наблюдениях (истинное среднее совокупности, из которой получена выборка);
Ai – эффект фактора T0 на i-ом уровне ( );
Bj – эффект фактора p0 на j-ом уровне ( );
Ck – эффект фактора на k-ом уровне ( );
Dl – эффект фактора m на l-ом уровне ( );
m(ijkl) – случайная ошибка в эксперименте.
Для обработки экспериментальных данных служит модуль программного обеспечения, интерфейс которого представлен на рисунке 1.52. Методика обработки экспериментальных данных предполагает анализ амплитудно-частотных характеристик с помощью процедуры быстрого преобразования Фурье, расположения, размера и вида траекторий движения вала в плоскости датчиков перемещения.
Оценка грузоподъемности подшипника на установившемся режиме проводилась на основе показаний датчиков перемещений по следующей методике. На установившемся режиме центр цапфы вала описывает замкнутую эллиптическую кривую вокруг некоторого центра, соответствующего кривой подвижного равновесия. Координаты этого центра определяют эксцентриситет положения ротора относительно центра подшипника (рисунок 1.53). Для установившегося режима работы грузоподъемность подшипника приравнивается внешней статической нагрузке, действующей на ротор, включая силу тяжести.
1) траектории движения вала в плоскости установки датчиков перемещений;
2) развертки колебаний вала по осям X и Y; 3) координаты центра орбиты и амплитуды колебаний; 4) показания датчиков давлений; 5) время эксперимента и количество точек, отображаемых на экране; 6) быстрое преобразование Фурье (по оси абсцисс отложена частота вращения, об/мин)
Рисунок 1.52 − Окно модуля обработки экспериментальных данных
Рисунок 1.53 – Характерная траектория центра цапфы ротора
Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполняемый с целью подтверждения адекватности разработанных теоретических положений, основан на сравнении данных по положению центров цапф роторов на кривой подвижного равновесия, амплитуд установившихся колебаний и траекторий движения центров цапф роторов на подшипниках различных типов и конструктивного исполнения.
Сравнительный анализ кривых подвижного равновесия, рассчитанных на основе предложенных теоретических положений и экспериментальных данных, полученных на разработанном экспериментальном стенде, показывает удовлетворительное согласование опытных и расчетных данных относительно координат точек кривой подвижной равновесия (рисунок 1.54). При малых оборотах ротора нагрузочная способность гидростатодинамического подшипника (в частности, с прямоугольными питающими камерами) определяется исключительно давлением подачи, и если оно не достаточно, то возможен контакт опорных поверхностей вала и втулки. С ростом угловой скорости грузоподъемность подшипника увеличивается, о чем свидетельствует уменьшение его эксцентриситета и увеличение угла линии центров (вал всплывает). А при очень больших скоростях и, соответственно, малых эксцентриситетах, ротор теряет устойчивость, что объясняется разрушением гидродинамического клина и действием неконсервативных сил смазочного слоя.
Рисунок 1.54 – Кривые подвижного равновесия
На рисунке 1.55 представлены экспериментальные и расчетные траектории движения ротора в гидростатодинамических подшипниках с отключенной (а) и задействованной (б) системой активного управления. Как видно из рисунка, в первом случае, когда в питающие камеры подшипника поступает смазка с одинаковым и постоянным давлением, в системе наблюдается прецессия центра сечения цапфы по эллиптической траектории, вытянутость которой в вертикальном направлении объясняется действием силы тяжести. Подключение системы активного управления приводит к уменьшению геометрических размеров траектории центра цапфы и, соответственно, амплитуды колебаний.
Из рисунка 1.55 видно, что была также частично скорректирована форма отслеживаемой траектории, которая стала менее вытянутой в вертикальном направлении, что позволяет дополнительно снизить вероятность механического контакта вала с поверхностью подшипника. Вместе с тем, наблюдается несоответствие экспериментальных данных результатам, полученным путем математического моделирования работы гидростатодинамического подшипника с активным управлением.
а) б)
Рисунок 1.55 – Влияние системы активного управления на траекторию центра цапфы вала
Такое поведение системы объясняется тем, что предварительное определение параметров ПИД-регулятора, осуществляющего выработку управляющих воздействий, носит лишь приблизительный характер и не учитывает в полной мере параметров всех элементов системы (гидравлическое сопротивление и упругие свойства каналов подвода смазочного материала, неравномерность трение и инерционность в элементах исполнительного устройства и др.). Для достижения удовлетворительной работы системы требуется дополнительная настройка параметров ПИД-регулирования.
На рисунке 1.56 (а-г) приведены траектории центра цапфы вала при различных коэффициентах ПИД-регулятора KП, KИ и KД. Наилучшее соответствие результатов математического моделирования (синий цвет) и экспериментальных данных (красный цвет) наблюдается при конфигурации KП= 1.4, KИ=4 и KД=2,8 (рисунок 1.56г).
Вместе с тем, инерционные свойства сервоклапана, обусловленные как инерционностью механических элементов, так и индуктивностью катушки привода, способны в значительной степени ухудшать качество регулирования положения ротора при повышении частоты его вращения.
Рисунок 1.56 – Влияние параметров ПИД-регулятора на работу подшипника
Так, при низкой частоте вращения ротора порядка 100-150 об/мин (рисунок 1.57 а) качество регулирования является удовлетворительным, наблюдается значительное снижение амплитуды колебаний ротора, четко видны изменения в картине колебаний ротора начиная с момента включения системы управления (обозначен синей пунктирной линией). С увеличением частоты вращения вала до 200-250 об/мин наблюдается ухудшение качества регулирования (рисунок 1.57б), обусловленное недостаточным быстродействием системы управления. При частоте вращения более 350-400 об/мин (рисунок 1.57в) система, главным образом по причине инерционности электромагнитных клапанов и вызываемого ею расхождения фаз входного и выходного сигналов, не успевает должным образом отрабатывать колебания ротора, вследствие чего картина поведения ротора практически не изменяется после включения ее в работу.
n=150 об/мин
n=230 об/мин
n=360 об/мин
Рисунок 1.57 – Зависимость эффективности управления от частоты вращения
По результатам проведенных испытаний были выявлены следующие особенности функционирования мехатронных гидростатических подшипинков:
удовлетворительная работоспособность мехатронного гидростатического подшипника достигается при невысоких частотах вращения ротора;
на малых частотах вращения влияние системы управления (электромагнитного клапана) на динамическое поведение ротора весьма мало, при увеличении частоты вращения количество переключений электромагнитного клапана существенно возрастает, при этом равнодействующая давления стремится сместить вал к центру подшипника, тем самым, повышая устойчивость всей роторной системы;
можно говорить о том, что существует граница между удовлетворительной работоспособностью гидростатического подшипника как саморегулирующейся системы и необходимостью применения систем управления давлением подачи при достижении предельных характеристик, тем самым, расширяя границы применимости базовой конструкции опорного узла;
на определенных режимах наблюдалось кратковременное увеличение амплитуд колебаний, которые затем эффективно гасились воздействием через систему управления; предполагается, что это явление связано с тем, что изменяется частота возмущающей силы, которая может приближаться к собственным частотам роторно-опорного узла и, тем самым, к возникновению резонансных явлений;
конструкция разработанного мехатронного гидростатического подшипника показала удовлетворительную работоспособность при двух контролируемых каналах подачи смазочного материала, но можно говорить о том, что для более скоростных режимов работы потребуется увеличение числа контролируемых каналов и, соответственно, сложности системы управления.
на частотах более 200-300 об/мин простой алгоритм ПИД-регулирования не обеспечивает должного уровня гашения колебаний ротора, поэтому для адекватной работы на больших частотах необходимо реализовать специальные алгоритмы управления, позволяющие компенсировать обусловленное характеристиками электромагнитных клапанов расхождение фаз управляющих сигналов.
2 Разработка окончательной (скорректированной) конструкторской и технологической документации опытных образцов патентованных мехатронных подшипников
В результате проведенных на 4 этапе комплекса экспериментов по изучению работоспособности мехатронных подшипников были выявлены некоторые недостатки разработанных конструкций корпусов подшипниковых узлов, а именно:
1) затруднен монтаж-демонтаж различных втулок мехатронного гидростатического подшипника из-за посадки с небольшим натягом;
2) длина шлангов гидравлической системы может быть существенно уменьшена для снижения потерь давления и увеличения быстродействия срабатывания электромагнитного клапана;
3) параметры приобретенного электромагнитного клапана обеспечивают устойчивую работу системы управления до 300 об/мин.
На основании анализа недостатков была скорректирована конструкторская документация на экспериментальную установку и модельные мехатронные подшипники, например, изменена конструкция втулки мехатронного подшипника и посадочные размеры корпуса подшипникового узла (рисунки 2.1, 2.2), а также окончательно разработана технологическая документация (карты технологических процессов), примеры которых представлены на рисунках 2.3 − 2.10. Были приобретены дополнительные комплектующие гидравлической системы, что позволило уменьшить суммарную длину шлангов системы подачи с 4,6 м до 2,8 м. Был проведен дополнительный поиск электромагнитных клапанов на соответствующих рынках средств автоматизации и выбран более быстродействующий электромагнитный клапан, но его стоимость и сроки поставки не позволили исследовать его работоспособность в рамках сроков и финансирования 5-го этапа проекта.
Внесенные коррективы позволили доработать опытный образец мехатронного гидростатического подшипника, системы подачи смазки и повысить вероятность коммерциализации результатов проекта.
Рисунок 2.1 − Конструкция втулки мехатронного
гидростатического подшипника
Рисунок 2.2 − Конструкция корпуса подшипникового узла
 
Рисунок 2.3 − Карта технологического процесса для изготовления корпуса подшипникового узла   
Рисунок 2.4 − Карта технологического процесса для изготовления втулки подшипника скольжения
 
Рисунок 2.5 − Карта технологического процесса для изготовления вала
Рисунок 2.6 − Карта технологического процесса для изготовления втулки
Рисунок 2.7 − Карта технологического процесса для изготовления корпуса
Рисунок 2.8 − Карта технологического процесса для изготовления крышки
Рисунок 2.9 − Карта технологического процесса для изготовления основания
Рисунок 2.10, лист 1 − Карта технологического процесса для изготовления
основания электродвигателя
Рисунок 2.10, лист 2
Рисунок 2.11 − Карта технологического процесса для изготовления нагрузочной плиты
Рисунок 2.12 − Карта технологического процесса для изготовления станины
3 Разработка бизнес-плана по внедрению результатов проекта на предприятиях энергетического и транспортного машиностроения
В ходе выполнения проекта был получен фактически законченный коммерческий продукт − опытный образец мехатронного гидростатического подшипника с контрольно-измерительной системой, позволяющей отслеживать состояние роторно-опорного узла и адаптироваться к различным возмущающим воздействиям путем подстройки системы изменения давления подачи через электромагнитный клапан на основании показаний датчиков перемещений. Рекомендации по коммерциализации проекта представлены в виде бизнес-плана по внедрению мехатронных подшипников на предприятия энергетического и транспортного машиностроения.
Бизнес-план по внедрению результатов проекта на предприятия энергетического и транспортного машиностроения.
Резюме
Цель проекта: внедрение мехатронных подшипников нового поколения в промышленное производство роторных систем.
Продукт: объекты интеллектуальной собственности на технические решения в области разработки алгоритмов проектирования, управления и контроля мехатронными подшипниками.
Организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс» (Госуниверситет — УНПК) обладает развитой инновационной инфраструктурой, которая в состоянии обеспечивать решение сложных задач интеграции науки, образования и производства. В составе университетского комплекса 4 производственные площадки, 3 конструкторских бюро, 5 научно-исследовательских институтов, 23 научных и научно-творческих центра, 14 научно-образовательных центров, 3 хозяйственных общества, 36 учебно-научно-исследовательских лабораторий.
Направление деятельности: Научно-исследовательская лаборатория под руководством д-р техн. наук, профессора Л.А. Савина в составе Госуниверситет — УНПК проводит научные исследования, направленные на повышение надежности функционирования роторных машин за счет применения мехатронных подшипников с функциями диагностики и контроля состояния роторно-опорного узла.
Предприятия-контрагенты: На основе предлагаемых технических решений и алгоритмов проектирования, управления и контроля мехатронными подшипниками планируется организовать производство нестандартных роторных узлов нового поколения на крупных машиностроительных предприятиях России: ОАО «НПО Энергомаш имени академика В.П.Глушко», ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики», ОАО «ГМС Насосы», ОАО «Калужский турбинный завод» и «Невский завод».
Анализ конкурентов: На рынке СНГ производство подшипников осуществляется на 21 предприятии различной организационной структуры, преобразованных из Государственных подшипниковых заводов, крупнейшими среди которых являются: ОАО «Московский подшипник», ООО «Подшипниковый завод №6» (Россия, г. Екатеринбург), ОАО «РОЛТОМ» (Россия, г. Томск), ОАО «Харьковский подшипниковый завод», ОАО « Десятый подшипниковый завод» (Россия, г. Ростов-на-Дону), «Минский подшипниковый завод» (Республика Беларусь, г. Минск), ЗАО «Курская подшипниковая компания», ЗАО «Вологодский подшипниковый завод», ЗАО «Завод приборных подшипников» (Россия, г. Самара). Подшипниковые узлы нестандартной структуры производятся непосредственно на тех предприятиях машиностроения, где они входят в состав конечной продукции.
Финансирование проекта: Практическое внедрение результатов научных исследований коллектива под руководством профессора Л.А. Савина возможно через организацию на предприятиях-контрагентах производства роторных узлов на основе мехатронных подшипников. Госуниверситет — УНПК через лицензионный договор предоставляет в пользование предприятия объекты интеллектуальной собственности (ОИС), содержащие конструкторскую документацию на мехатронные роторные системы на условиях выплаты роялти. Вознаграждение Госуниверситет — УНПК от результатов использования ОИС зависит от доходов предприятия-лицензиата при организации им промышленного выпуска мехатронных подшипников.
Организация
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс» (Госуниверситет — УНПК) является первым вузом России, разработавшим и реализовавшим концепцию глубокой интеграции образования, науки и производства в форме учебно-научно-производственного комплекса, ставшего основой развития образования, экономики и социальной сферы региона.
Значительный вклад университета в инновационное развитие высшей школы России, реализацию новых подходов к ее реформированию и подготовку высококвалифицированных кадров отмечен высокими государственными наградами: Премией Президента Российской Федерации в области образования за научно-практическую разработку для системы профессионального образования и научно-инновационной инфраструктуры регионов «Университетский учебно-научный производственный комплекс как основа развития образования, экономики и социальной сферы региона» и Премией Правительства Российской Федерации в области образования за научно-практическую разработку для учебных заведений высшего профессионального образования «Повышение качества инженерно-технологического образования на основе преемственности и межвузовской интеграции научных школ технологов-машиностроителей».
В настоящее время в состав университета входят:
3 филиала в городах Карачев, Ливны, Мценск;
5 учебно-научно-исследовательских института;
6 институтов;
11 факультетов;
47 кафедр.
В настоящее время в университете учатся более 13000 студентов, получающих высшее и среднее профессиональное образование. В университетском комплексе работают около 100 докторов и 350 кандидатов наук.
Направление деятельности
В настоящее время существует три принципиально различных вида подвеса роторов: подшипники качения, опоры жидкостного трения и электромагнитные подшипники. Каждому виду опорных узлов свойственны свои преимущества и недостатки, относительно которых определяется возможность их применения для различных условий работы.
Ограничивающими факторами для подшипников качения является параметр предельной быстроходности, для подшипников скольжения – число пусков и остановов, для электромагнитных подшипников – сложность и стоимость системы электропитания и управления. Механизм выхода из строя опорных узлов заключается в превышении действующих нагрузок и/или скоростей сверх допустимых, что приводит к повышенному износу рабочих поверхностей и последующему неустранимому функциональному отказу. Критериально оценить возможность возникновения поломки можно по долговечности, устойчивости и работоспособности в аварийных ситуациях.
Долговечность подшипников качения ограничена несколькими основными факторами:
− усталостным выкрашиванием колец в результате знакопеременных напряжений в зоне максимальной нагрузки;
− механическим разрушением элементов подшипника из-за случайных перегрузок, вызванных вибрацией или центробежными силами. В процессе работы подшипника качения в зонах контакта при взаимодействии деталей, как в поверхностных, так и во внутренних слоях материала происходят определенные качественные изменения, которые при определенных условиях приводят к изнашиванию, выкрашиванию или объемному разрушению.
Долговечность подшипников скольжения в режиме жидкостного трения теоретически неограничена, так как происходит полное разделение трущихся поверхностей смазочным слоем. Основной износ втулки подшипника скольжения происходит на переходных режимах, к которым относятся пуск и останов агрегата, а также неустойчивое движение в результате самовозбуждающихся колебаний.
Долговечность активных магнитных подшипников зависит, прежде всего, от надежности электронной схемы и системы электроснабжения. Повышение надежности электронных систем достигается путем резервирования электронных элементов и цепей, а также электрообмоток электромагнитов.
По устойчивости подшипники качения уступают подшипникам скольжения. Подшипники качения чрезвычайно чувствительны к ударным и вибрационным нагрузкам, которые приводят к выкрашиванию тел и дорожек качения, а подшипники скольжения обладают несомненным преимуществом, за счет демпфирующей способности смазочного слоя. Но при определенных сочетаниях рабочих и геометрических параметров подшипника скольжения смазочный слой может сам являться источником опасных самовозбуждающихся колебаний, но это явление стараются устранить на этапе проектирования путем специальных конструктивных решений: увеличение эксцентриситета, применение многоклиновых поверхностей и др. Электромагнитные подшипники, являясь полностью мехатронной системой, за счет электронной системы управления позволяют контролировать перемещения вала в радиальном зазоре, позиционировать ротор таким образом, чтобы вращение ротора происходило вокруг оси инерции, а также электронное управление позволяет активно гасить нежелательные колебания ротора.
Перегрузка в аварийных ситуациях для подшипников качения ведет к заклиниванию, повышение температуры − к изменению механических свойств материалов. Перекосы вызывают резкое повышение момента трения, в меньшей мере это относится к самоустанавливающимся подшипникам. Подшипник скольжения чувствителен к перекосам, но допускает вращение, если температура в зоне контакта не приведет к схватыванию поверхностей цапфы и втулки. Износ втулки с одной стороны приводит к уменьшению грузоподъемности, а с другой ротор перемещается в область высоких эксцентриситетов, что ведет к повышению устойчивости. Касание недопутимо в агрегатах с лекговоспломеняющимися жидкостями. Для электромагнитного подшипника работоспособность в аварийных ситуациях зависит от чувствительности или быстродействия системы контроля, плюсом является наличие страховочного подшипника качения.
Любой процесс, приводящий к повреждениям, можно контролировать с помощью первичных преобразователей той или иной физической величины, например износ с помощью датчиков перемещений, неустойчивость с помощью акселерометров, повышенное трение с помощью датчиков температуры и т.п. Введение сенсорных элементов в конструкцию опорного узла превращает его в чисто мехатронную систему, состоящую из механической части (деталей подшипника), электрической (сенсоры, микроконтроллеры управления) и программной (программное обеспечение по управлению сигнальной системой).
Можно сделать вывод о том, что введение сенсорных элементов в конструкцию подшипников скольжения и качения может быть эффективно использовано для контроля за износом рабочих поверхностей и прогнозирования возможных отказов. Все это предъявляет к новым мехатронным опорным узлам роторов требования по их детальному изучению, как в плане проектирования и расчетов, так и технологических особенностей.
Продукт
Активный магнитный подшипник является классическим мехатронным объектом, который практически не имеет базовых недостатков, присущих подшипникам качения и скольжения. В таком подшипнике центрирование ротора и передача нагрузки на корпус идет за счет активного магнитного поля, напряженность которого регулируется контрольной системой в зависимости от перемещений ротора, фиксируемых датчиками перемещений. Такие повышенные характеристики работоспособности и безопасности имеют на порядки выше стоимость по сравнению со стандартными подшипниками качения и относительно простыми конструкциями подшипников скольжения из-за высоких требований точности и быстродействия элементов контрольно-измерительной системы. Высокая стоимость, большие радиальные габариты, сложность монтажа обуславливает применение активных магнитных подшипников только в самых ответственных узлах энергетических и транспортных машин. Исходя из преимуществ активных магнитных подшипников, можно выделить следующие классы машин, где их применение наиболее эффективно.
Применение магнитных подшипников в турбокомпрессорах и турбовентиляторах за счет увеличения частоты вращения повышает производительность и снижает весогабаритные показатели. В случаях, когда к перекачиваемой среде предъявляются высокие требования по чистоте, являются практически единственно возможным типом опор. Магнитные подшипники используются в широком диапазоне частот вращения, мощностей, давлений, температур. Наиболее перспективная сфера применения: лазерные установки, газоперекачивающие агрегаты, вентиляционные агрегаты для активных, высокотемпературных и маслоопасных сред.
Магнитные подшипники в турбомолекулярных насосах позволяют достичь требуемых для этих устройств высоких частот вращения. Неоспоримым достоинством здесь является возможность длительной работы в вакууме. Применяются в вакуумных установках со сверхвысокой степенью разрежения.
Повышение на основе магнитных подшипников частоты вращения электрошпинделей существенно повышает производительность оборудования и улучшает чистоту обработки. Перспективной является возможность комбинированного движения инструмента (микродолбежка при сверлении, микроколебания при шлифовании), что существенно повышает технологические возможности оборудования. Сфера применения - высокопроизводительные прецизионные металлообрабатывающие станки.
Применение магнитных подшипников в криогенной технике обеспечивает повышение надежности работы и производительности высокооборотных турбодетандеров в условиях низких температур и больших перепадов давления. Возможность совмещения магнитных подшипников с электрической машиной позволяет создавать компактные турбодетандеры с электрическим отбором мощности (без компрессорных колес). Могут быть применены в кислородных, азотных и гелиевых криоустановках.
Использование в качестве опор газовых турбин и турбоэлектрических агрегатов магнитных подшипников решает проблемы смазки при высоких температурах, увеличивает ресурс работы, улучшает виброакустические характеристики. Сказанное справедливо и для случаев, когда магнитные подшипники устанавливаются в качестве опор ротора турбоэлектрического агрегата. Сфера применения – автономные энергоустановки.
Инерционные накопители энергии содержат маховик, жестко связанный с ротором электрической машины. Накапливают энергию путем преобразования электрической энергии в кинетическую (разгон маховика) и отдают ее потребителю по мере необходимости (торможение). Наиболее эффективны при больших частотах вращения при использовании композитных супермаховиков. Использование магнитных подшипников позволяет существенно улучшить весо-габаритные и энергоемкостные показатели, обеспечивает возможность управления динамикой ротора с маховиком при резких разгонах и торможении, допускает вакуумирование системы для уменьшения аэродинамических потерь. Перспективны для применения в космической технике, на транспорте, в системах, требующих рекуперации энергии, в системах автономного энергоснабжения.
Другим направлением создания мехатронных опорных узлов является объединение контрольно-измерительных систем с базовым подшипником качения или подшипником скольжения, что позволяет измерять кинематические, силовые, температурные характеристики опорного узла и по ним отслеживать поведение всей механической системы в целом и подавать управляющие сигналы на силовые модули для достижения оптимальных параметров функционирования. Наиболее ярким примером такого вида опорных узлов являются мехатронные подшипники качения, устанавливаемые на колесных осях автомобилей. Мехатронный подшипник качения позволяет снимать информацию обо всех видах нагрузки, передаваемой с дорожного полотна на оси колесных пар. Информация с подшипников обрабатывается и подает управляющие сигналы на системы динамического распределения крутящего момента на колеса, автоматического изменения жесткости подвески и др. Применение таких систем позволило автомобильным производителям добиться синергетического эффекта повышения безопасности передвижения, проходимости и комфорта вождения.
|
