Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ −
УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТЕННЫЙ КОМПЛЕКС»
(ФГБОУ ВПО «Госуниверситет − УНПК»)
УДК 621.822+ 531.76.084/.085; 621.317.76.084/.085+ 531.7.084/.085
№ госрегистрации 01201062308
Инв.№
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по научной работе
д-р техн. наук, проф.
______________ С.Ю. Радченко
«___»_________ ______ г.
Государственный контракт от 01 сентября 2010 г. № 14.740.11.0030
Шифр «2010-1.1-208-076-020»
ОТЧЕТ
О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ
В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
по теме:
МЕХАТРОННЫЕ ОПОРЫ РОТОРОВ АГРЕГАТОВ И МАШИН
НОВЫХ ПОКОЛЕНИЙ
(заключительный, этап № 5)
Наименование этапа: «Изготовление опытных образцов и разработка планов коммерциализации результатов проекта»
Руководитель НИР,
д-р техн. наук, проф.
|
_________________
подпись, дата
|
Л.А. Савин
|
Орел 2012
СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Научный руководитель,
д-р техн. наук, профессор
|
22 октября 2012 г.
|
Л.А. Савин
(Раздел 3)
|
Канд. техн. наук, доцент кафедры
«Мехатроника и международный инжиниринг»
|
22 октября 2012 г.
|
Р.Н. Поляков
(Раздел 2)
|
Д-р техн. наук, профессор,
заведующий кафедрой «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины»
|
22 октября 2012 г.
|
Л.С. Ушаков
(Введение)
|
Д-р техн. наук, профессор
|
22 октября 2012 г.
|
В.И. Чернышев
(Заключение)
|
Д-р техн. наук, профессор
|
22 октября 2012 г.
|
О.В. Пилипенко
(Реферат)
|
Д-р техн. наук, профессор, директор технологического института ОрелГТУ
|
22 октября 2012 г.
|
А.В. Киричек
(Введение)
|
Д-р техн. наук, генеральный конструктор «ГМС Насосы»
|
22 октября 2012 г.
|
В.М. Рязанцев
(Раздел 1)
|
Д-р техн. наук, профессор
|
22 октября 2012 г.
|
О.В. Соломин
(Раздел 1)
|
Д-р. техн. наук, заведующий кафедрой
«Прикладная механика и инженерная графика»
|
22 октября 2012 г.
|
Е.В. Сливинский
(Раздел 1)
|
Канд. техн. наук, доцент
|
22 октября 2012 г.
|
С.В. Широков
(Раздел 1)
|
|
|
|
|
|
|
Ассистент кафедры
«Мехатроника и международный инжиниринг»
|
22 октября 2012 г.
|
С.А. Герасимов
(Раздел 1)
|
Ассистент кафедры
«Мехатроника и международный инжиниринг»
|
22 октября 2012 г.
|
П.Г. Антонов
(Раздел 1)
|
Старший преподаватель
|
22 октября 2012 г.
|
Д.О. Базлов
(Раздел 1)
|
Инженер кафедры
«Мехатроника и международный инжиниринг»
|
22 октября 2012 г.
|
М.М. Ярославцев
(Раздел 1)
|
Старший преподаватель кафедры
«Мехатроника и международный инжиниринг»
|
22 октября 2012 г.
|
Л.В. Дорофеев
(Раздел 1)
|
Ассистент кафедры
«Мехатроника и международный инжиниринг»
|
22 октября 2012 г.
|
С.Ф. Ладыгин
(Раздел 1)
|
Ассистент кафедры
«Мехатроника и международный инжиниринг»
|
22 октября 2012 г.
|
С.А. Лаврушин
(Раздел 1)
|
Ассистент кафедры
«Мехатроника и международный инжиниринг»
|
22 октября 2012 г.
|
Д.В. Александров
(Раздел 1)
|
Студент специальности
210401 «Мехатроника»
|
22 октября 2012 г.
|
Я.А. Лячин
(Раздел 1)
|
Студент специальности
210401 «Мехатроника»
|
22 октября 2012 г.
|
В.Г. Емельянов
(Раздел 1)
|
Канд. техн. наук
|
22 октября 2012 г.
|
А.В. Алехин
(Раздел 1)
|
К
3
анд. техн. наук, доцент
|
22 октября 2012 г.
|
А.А. Стручков
(Раздел 2)
|
Инженер кафедры
«Мехатроника и международный инжиниринг»
|
22 октября 2012 г.
|
А.А. Морозов
(Раздел 1)
|
Канд. техн. наук, доцент
|
22 октября 2012 г.
|
А.В. Корнаев
(Раздел 1)
|
Аспирант кафедры
«Мехатроника и международный инжиниринг»
|
22 октября 2012 г.
|
Д.В. Шутин
(Раздел 2)
|
Аспирант кафедры
«Мехатроника и международный инжиниринг»
|
22 октября 2012 г.
|
А.В. Федосов
(Раздел 1)
|
Канд. техн. наук, доцент
|
22 октября 2012 г.
|
А.В. Чичварин
(Раздел 1)
|
Заведующий лабораторией
|
22 октября 2012 г.
|
В.М. Кавунов
(Раздел 1)
|
Инженер
|
22 октября 2012 г.
|
Ю.А. Молоканов
(Раздел 1)
|
Аспирант
|
22 октября 2012 г.
|
А.Ю. Кольцов
(Раздел 1)
|
Аспирант
|
22 октября 2012 г.
|
А.В. Просекова
(Раздел 2)
|
Аспирант
|
22 октября 2012 г.
|
Е.Б. Белозерова
(Раздел 1)
|
Студент специальности
210401 «Мехатроника»
|
22 октября 2012 г.
|
В.О. Тюрин
(Раздел 1)
|
Студент специальности
210401 «Мехатроника»
|
22 октября 2012 г.
|
М.В. Бычков
(Раздел 1)
|
Канд. техн. наук, доцент
|
22 октября 2012 г.
|
А.А. Попиков
(Раздел 3)
|
Канд. техн. наук, доцент
|
22 октября 2012 г.
|
М.Б. Бородина
(Раздел 3)
|
Канд. техн. наук
|
22 октября 2012 г.
|
А.С. Яцун
(Раздел 1)
|
Канд. техн. наук, доцент
|
22 октября 2012 г.
|
А.Ю. Корнеев
(Раздел 1)
|
Канд. техн. наук, старший преподаватель
|
22 октября 2012 г.
|
Е.П. Корнаева
(Раздел 1)
|
Канд. техн. наук, доцент
|
22 октября 2012 г.
|
С.В. Майоров
(Раздел 4)
|
Канд. техн. наук, доцент
|
22 октября 2012 г.
|
А.В. Сытин
(Раздел 5)
|
Студент специальности
210401 «Мехатроника»
|
22 октября 2012 г.
|
М.А. Кожухов
(Раздел 1)
|
Студент специальности
210401 «Мехатроника»
|
22 октября 2012 г.
|
А.С. Галичев
(Раздел 1)
|
Инженер кафедры
«Мехатроника и международный инжиниринг»
|
22 октября 2012 г.
|
В.А. Воронина
(Реферат)
|
Нормоконтролер
|
22 октября 2012 г.
|
Н.В. Кизилова
|
РЕФЕРАТ
Отчет 166 с., 74 рис., 8 табл., 18 источников
РОТОРНАЯ СИСТЕМА, МЕХАТРОННЫЕ ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ, МЕХАТРОННЫЕ ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ, АКТИВНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОДШИПНИКИ, СЕНСОРЫ, АКТУАТОРЫ, АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ, ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
Объектом проведенных исследований являются мехатронные опоры роторов роторных машин, представляющие собой единый объект, в котором можно выделить: подшипник (механическая часть), сенсоры и/или актуаторы (электрическая часть) и информационно-измерительную систему (информационная часть).
Цель работы: повышение надежности функционирования роторных машин за счет применения мехатронных подшипников с функциями диагностики и контроля за состоянием роторно-опорного узла.
Указанные цели достигались решением следующих основных задач:
а) на 1-м этапе проекта:
1) проведением информационного поиска по отечественным и зарубежным изданиям в области опорных узлов роторных машин, которые включают в своей конструкции дополнительные элементы, направленные на контроль рабочих параметров и систему управления;
2) проведением обоснования выбора объекта исследований;
3) проведением обоснования экономической эффективности проекта;
4) разработкой базовых математических моделей мехатронных подшипников;
5) проведением патентного поиска по базам данных патентов;
б
6
) на 2-м этапе проекта:
1) разработкой эффективных алгоритмов управления для повышения надежности опорного узла;
2) проведением комплекса численных экспериментов по выявлению закономерностей функционирования мехатронных подшипников;
3) разработкой программного обеспечения по расчету характеристик мехатронных подшипников;
в) на 3 этапе проекта:
1) разработкой принципиально новых конструкций мехатронных подшипников;
2) проведением проектировочных расчетов рабочих характеристик разработанных подшипниковых узлов;
3) разработкой и подбором программно-аппаратных средств для реализации информационно-измерительной системы по управлению и контролю мехатронными подшипниками;
4) подготовкой документации и патентованием разработанных конструкций мехатронных подшипников;
5) разработкой алгоритмов оптимального проектирования мехатронных подшипников;
г) на 4-м этапе проекта:
1) разработкой конструкторской документации модельных мехатронных подшипников и экспериментальной установки для их испытаний;
2) разработкой методики экспериментальных исследований;
3) изготовлением опытных образцов и экспериментальной установки;
4) проведением комплекса экспериментов по изучению работоспособности мехатронных подшипников и отработки алгоритмов управления и контроля;
5) сопоставлением результатов экспериментов с результатами расчетов и математического моделирования;
6) корректировкой разработанной документации по результатам испытаний;
д) на 5 этапе проекта:
1) разработка окончательной (скорректированной) конструкторской и технологической документации опытных образцов патентованных мехатронных подшипников;
3) разработка бизнес-плана по внедрению результатов проекта на предприятиях энергетического и транспортного машиностроения;
4) написание и опубликование монографии «Мехатронные подшипниковые узлы: принципы расчета и проектирования»;
5) разработка учебно-методического пособия для проведения лабораторных работ «Мехатронные технологии в роторно-опорных узлах».
В результате выполнения 1 этапа были проанализированы более тысячи различных источников информации, включая монографии, периодические издания, базы данных патентов в области мехатроники и мехатронных опор, было выполнено обоснование выбора объекта исследований − мехатронных подшипников скольжения и активных магнитных подшипников − как наиболее перспективных с точки зрения исследования и дальнейшего внедрения с позиций экономической эффективности, были разработаны базовые математические модели активного магнитного подшипника и активного гидростатического подшипника. Был сформирован задел для выполнения следующего этапа работы «Проектирование мехатронных подшипников с различными способами создания несущей способности» в виде эскизной и конструкторской документации, а также подготовлены к подаче в Роспатент 2 заявки по новым конструкциям мехатронных подшипников.
В результате выполнения 2 этапа были разработаны алгоритмы управления мехатронными гидростатическими подшипниками, проведен комплекс численных экспериментов по оценке влияния геометрических и рабочих характеристик роторно-опорного узла на грузоподъемность и динамические коэффициенты жесткости и демпфирования подшипника. Численные эксперименты проводились с помощью разработанного программного обеспечения по расчету характеристик мехатронных подшипников. Была подготовлена заявка на патент «Мехатронная гидростатическая опора», в настоящее время проходит процедура регистрации заявки в ФГУ «Федеральный институт промышленной собственности».
В результате выполнения 3 этапа были разработаны принципиально новые конструкции мехатронных подшипников, основанные на синергетической интеграции механических, электронных и контрольно-измерительных компонентов в опорном узле, проведены проектировочные расчеты рабочих характеристик разработанных подшипниковых узлов, разработаны и подобраны программно-аппаратные средства для реализации информационно-измерительной системы по управлению и контролю мехатронными подшипниками, подготовлена документация на новые конструкции мехатронных подшипников, разработаны алгоритмы оптимального проектирования мехатронных подшипников, позволившие получить математический инструмент получения наилучших характеристик работоспособности опорного узла за счет варьирования параметрами механической и контрольно-измерительной частей мехатронного подшипника.
В результате выполнения 4 этапа были разработаны принципиально новые конструкции мехатронных подшипников, основанные на синергетической интеграции механических, электронных и контрольно-измерительных компонентов в опорном узле, проведены проектировочные расчеты рабочих характеристик разработанных подшипниковых узлов, разработаны и подобраны программно-аппаратные средства для реализации информационно-измерительной системы по управлению и контролю мехатронными подшипниками, подготовлена документация на новые конструкции мехатронных подшипников, разработаны алгоритмы оптимального проектирования мехатронных подшипников, позволившие получить математический инструмент получения наилучших характеристик работоспособности опорного узла за счет варьирования параметрами механической и контрольно-измерительной частей мехатронного подшипника.
В результате выполнения 5 этапа были разработаны скорректированная конструкторская документация и карты технологических процессов для изготовления деталей мехатронного гидростатического подшипника, были разработаны рекомендации по коммерциализации результатов проекта в виде бизнес-плана по внедрению результатов на предприятиях энергетического и транспортного машиностроения. По результатам проекта была подготовлена к публикации монография «Мехатронные подшипниковые узлы: принципы расчета и проектирования» и учебно-методическое пособие для проведения лабораторных работ «Мехатронные технологии в роторно-опорных узлах».
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 12
Основные результаты проекта за 4 этапа 18
Разработка окончательной (скорректированной) конструкторской и технологической документации опытных образцов патентованных мехатронных подшипников 94
Разработка бизнес-плана по внедрению результатов проекта на предприятиях энергетического и транспортного машиностроения 108
Проведение организационно-рекламных мероприятий по подготовке внедрения результатов проекта 130
Оценка возможности создания конкурентоспособной продукции и услуг и разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных НИР, включая предложения по коммерциализации 138
Заключение 150
Список использованных источников 154
Приложение А Содержание монографии «Мехатронные подшипниковые узлы: принципы расчета и проектирования» 156
Приложение Б Содержание учебно-методического пособия «Мехатронные технологии в роторно-опорных узлах» 160
ВВЕДЕНИЕ
Надежность функционирования роторных машин в двигательных установках авиационной и ракетно-космической техники, автомобильного и водного транспорта (насосы, компрессоры, детандеры) в значительной мере определяется работоспособностью опорных узлов. 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:
1) усталостным выкрашиванием колец в результате знакопеременных напряжений в зоне максимальной нагрузки;
2) 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. |
