Разработка метода комплексного анализа динамики и прочности трубопроводных систем с гасителями колебаний рабочей жидкости

На правах рукописи

Прокофьев Андрей Брониславович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА ДИНАМИКИ И ПРОЧНОСТИ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ С ГАСИТЕЛЯМИ КОЛЕБАНИЙ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ

Специальность 01.02.06 – «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Самара 2008 г.

Работа выполнена на кафедре автоматических систем энергетических установок ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Шахматов Евгений Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Балякин Валерий Борисович,

доктор технических наук, профессор

Кулаков Геннадий Алексеевич,

доктор физико-математических наук, профессор

Радченко Владимир Павлович

Ведущая организация: ФГУП «ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс»

Защита состоится 28 ноября 2008 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д212.215.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева».

Автореферат разослан «____» ______________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.215.02

доктор технических наук, профессор Д.Л. Скуратов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный гидропривод различных технических объектов характеризуется высокой энергонасыщенностью его узлов и элементов. Трубопроводы, являющиеся важным элементом гидропривода, работают в условиях воздействий как статического, так и динамического характера. При этом требования к надежности и работоспособности трубопроводов непрерывно растут. Одним из основных факторов, снижающих работоспособность трубопроводных систем, являются виброакустические нагрузки. К ним относятся вибрационные нагрузки, колебания давления и расхода рабочей жидкости, приводящие к разгерметизации трубопроводных соединений, появлению усталостных трещин. Виброакустические процессы в трубопроводных системах характеризуются широким спектром частот (20 Гц – 5 кГц) и амплитуд колебаний (размах колебаний давления рабочей жидкости – до 20 МПа, виброускорение – до 1000 м/с2). Причем именно колебания давления, амплитуда которых может достигать 50% от среднего значения, являются одной из причин, приводящих к вибрации, усталостным поломкам трубопроводов.

Эффективным средством снижения пульсаций давления является применение специальных устройств – гасителей колебаний рабочей жидкости. К настоящему времени создан ряд конструкций гасителей, обеспечивающих эффективное уменьшение амплитуд колебаний рабочей жидкости. При этом результаты применения гасителей не ограничиваются снижением колебаний рабочей жидкости, они приводят к уменьшению уровня вибрации и шума, излучаемого гидромеханическими системами (рис. 1). Более того, во многих случаях конечной целью применения гасителей колебаний является вовсе не снижение амплитуд колебаний давления, а уменьшение переменных напря-жений в трубопроводных сис-темах, вызываемых пульси-рующим потоком рабочей среды.

Однако вопросы влияния гасителей колебаний давления на вибрационные и прочностные характеристики трубопроводных систем до настоящего времени изучены недостаточно. Одной из причин этого является отсутствие математического описания взаимодействия пульсационных и вибрационных процессов в трубопроводных системах сложной пространственной конфигурации. Установка в трубопроводную систему гасителя колебаний не только снижает уровень пульсаций давления, но и приводит к необходимости решения ряда дополнительных задач, которые прежде рассматривались недостаточно тщательно: прочность элементов самого гасителя, необходимость установки дополнительных опор, установка компенсаторов или развязывающих элементов (рис.2). Таким образом, всестороннее исследование процессов виброакустического взаимодействия в трубопроводных системах, основанное на адекватном математическом описании, разработка методик применения гасителей колебаний рабочей жидкости для решения задач снижения виброакустических нагрузок и повышения усталостной прочности трубопроводных систем определяет актуальность данной работы.

Цель работы. Повышение работоспособности гидромеханических систем за счет снижения виброакустических нагрузок путем применения гасителей колебаний рабочей жидкости, разработанных на базе комплексного метода моделирования и анализа динамических и прочностных характеристик трубопроводных систем.

Основные задачи диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработать методы оценки динамических и прочностных характеристик трубопроводных систем с гасителями колебаний при их комплексном (статическом и динамическом) нагружении, в том числе пульсациями рабочей жидкости.
2. Разработать методы численного моделирования виброакустических характеристик трубопроводных систем при их силовом возбуждении пульсациями рабочей жидкости, сочетающие высокую точность и малую трудоемкость расчета. Разработать алгоритмы моделирования и программные комплексы, их реализующие.
3. Разработать методику снижения динамической нагруженности трубопроводной системы с учетом процессов виброакустического взаимодействия механической и гидравлической подсистем.
4. Разработать методику расчета конструктивных параметров гасителей колебаний с учетом прочностных характеристик их элементов на основе создания методов численного моделирования характеристик гасителей колебаний рабочей жидкости.
5. На базе экспериментальных исследований получить полуэмпирические модели элементов трубопроводных систем. Разработать методики анализа данных экспериментального исследования динамических процессов в трубопроводных системах.

Методы исследований включают анализ источников научно-технической информации, постановку задач и проведение теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические исследования базируются на применении основных положений теории колебаний, теоретической и вычислительной гидродинамики и акустики, механики стержней, включая методы электродинамической аналогии, метод четырехполюсников, импедансный метод, метод конечных разностей, метод конечных элементов. Экспериментальные исследования базируются на применении основных положений теории математической статистики, теории планирования эксперимента и обработки результатов экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые получены следующие результаты:

1. Разработан метод комплексного исследования виброакустического состояния трубопроводных систем, позволяющий анализировать влияние гасителей колебаний рабочей жидкости как на пульсационную, так и на вибрационную нагруженность систем.
2. Разработана математическая модель виброакустических процессов в трубопроводных системах сложной пространственной конфигурации, учитывающая одновременное воздействие на систему силового возбуждения со стороны рабочей жидкости и кинематического возбуждения от присоединенных опор и агрегатов и позволяющая оценивать прочностные характеристики таких трубопроводных систем.
3. Разработан комплексный метод проектирования трубопроводных систем, обеспечивающий требуемые виброакустические и прочностные характеристики в условиях одновременного воздействия на трубопроводы статического нагружения давлением и динамического нагружения пульсациями рабочей жидкости, кинематического возбуждения со стороны опор и присоединенных агрегатов, температурных и внешних силовых нагрузок.
4. На основе развития теоретического описания процессов виброакустического взаимодействия в гидромеханических системах разработана математическая модель динамики и прочности трубопроводных систем с гасителями колебаний.
5. Разработаны конечно-элементные модели гасителей колебаний жидкости, позволяющие определять комплекс собственных характеристик гасителей с учетом распределенности параметров всех их элементов, а также их прочностные характеристики в условиях пульсирующего потока рабочей жидкости.
6. Разработан алгоритм выбора схемы и конструктивных характеристик гасителей колебаний жидкости, мест их установки в систему, обеспечивающий требуемое снижение вибрационных и пульсационных нагрузок при выполнении условий технического задания по гидравлическому сопротивлению, габаритам и массе.
7. Разработаны методы определения интегральных виброакустических характеристик пневмогидромеханических систем на основе вейвлет-анализа экспериментальных данных.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Практическая ценность проведенных исследований заключается в следующем:

1. Разработанная методика моделирования динамических характеристик трубопроводных систем позволяет определять их виброакустические и прочностные характеристики и оценивать на этой базе работоспособность систем, а также необходимость проведения мероприятий по ее повышению.

2. Разработанный метод проектирования гасителей колебаний рабочей жидкости позволяет создавать эффективные конструкции устройств, обеспечивающих снижение как пульсационных, так и вибрационных нагрузок в гидромеханических системах.

3. Предложенный метод численного моделирования динамических характеристик гасителей колебаний в распределенных параметрах расширяет частотный диапазон получения достоверных результатов, что сокращает затраты на доводку гасителей.

4. Разработанные методы и программные средства определения виброакустических характеристик на базе вейвлет-анализа позволяют сократить сроки и повысить точность обработки экспериментальных данных при динамических испытаниях элементов гидромеханических систем.

Результаты, полученные в работе, использованы:

- в ФГУП «ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» при разработке мероприятий по исключению усталостных разрушений трубопроводов агрегата привода для наземных испытаний рулевых машин ракетоносителя;

- в ОАО «Самарское конструкторское бюро машиностроения» при расчете виброакустических характеристик трубопроводных систем с пульсирующим потоком рабочей жидкости, для планирования экспериментов и математической обработки полученных результатов при определении резонансных частот гидромеханических систем;

- на Сызранской ТЭЦ при разработке мероприятий по исключению разрушений маслонасоса турбогенератора;

- в Институте акустики машин при проектировании гасителей колебаний рабочей жидкости;

- в Самарском государственном аэрокосмическом университете при совершенствовании учебных курсов «Динамические измерения и обработка экспериментальных данных» и «Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 1997, 2001, 2006 гг.), 139-ой конференции Акустического общества Америки (Атланта, США, 2000 г.), IV Всероссийской научно-практической конференции «Решетневские чтения» (Красноярск, 2000 г.), 140-ой конференции Акустического общества Америки (Ньюпорт Бич, США, 2000 г.), Международной научной конференции «XXVIII Гагаринские чтения» (Москва, 2002 г.), III конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 2003 г.), Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2003 г.), IV конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 2004 г.), VII Международном симпозиуме «Transport Noise and Vibration» (Санкт-Петербург, 2004 г.), IV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2004 г.), V конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 2005 г.), XIV Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, Украина, 2005 г.), VI Международной научно-практической конференции «Людина i Космос» (Днепропетровск, Украина, 2005 г.), III Международной научно-технической конференции «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (Санкт-Петербург, 2005 г.), 5-ой международной научно-технической конференции «Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла» (Брянск, 2005 г.), XIII международном конгрессе «Sound and Vibration (ICSV13)» (Вена, Австрия, 2006 г.), VII Международной научно-практической конференции «Людина i Космос» (Днепропетровск, Украина, 2006 г.), 5-ой международной конференции «Авиация и космонавтика – 2006» (Москва, 2006 г.), X международной научной конференции «Решетневские Чтения» (Красноярск, 2006 г.), VIII Международной научно-практической конференции «Людина i Космос» (Днепропетровск, Украина, 2007 г.), Международной конференции «Power Transmission and Motion Control 2007» (Бас, Великобритания, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 научные работы, в том числе 2 монографии, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Содержит 353 страницы текста, включая 160 рисунков, 8 таблиц, списка использованных источников из 133 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, рассматриваются основные проблемы в области исследований, дается краткое содержание глав диссертации.

В первой главе проведен анализ состояния исследований в области виброакустики гидромеханических систем, рассмотрен частотный диапазон динамических процессов, характерные уровни пульсаций давления рабочих сред, вибрации элементов гидромеханических систем. Проведены анализ и классификация источников и механизмов возникновения виброакустической нагруженности. Показано, что одним из основных источников виброакустических процессов является неравномерность подачи насосных агрегатов. Рассмотрены характерные временные реализации и амплитудные спектры колебаний давления на выходе насосных агрегатов различных типов. Проведен анализ влияния конструктивных параметров насосов на неравномерность их подачи.

Проведен анализ методов снижения виброакустических нагрузок. Показано, что одним из методов снижения интенсивности динамических процессов является подавление колебаний в источнике. Этому направлению посвящены работы Башты Т.М., Орлова Ю.М., Шахматова Е.В., Юдина Е.М., Шорина В.П., Задонцева В.А., Овсянникова Б.В., Пилипенко В.В., Крючкова А.Н. и др. Однако устранение колебаний в источнике часто связано с необходимостью значительных изменений в конструкции отдельных агрегатов, а в некоторых случаях сам характер организации рабочего процесса предопределяет генерирование колебаний. Кроме того, эффективность мероприятий, связанных с уменьшением генерируемых источником колебаний, зачастую имеет противоречивый характер. Например, увеличение зазора между рабочим колесом и статором центробежного насоса способствует уменьшению амплитуды колебаний давления, но приводит к снижению производительности и КПД насоса. Развитие рассматриваемого пути снижения виброакустической нагруженности сдерживает отсутствие адекватных методов моделирования и научно-обоснованных методов проектирования устройств, рабочий процесс которых сопровождается генерированием колебаний рабочей среды. Оценивая возможности устранения колебаний в источнике, следует отметить, что задача далека от разрешения.

Рассмотрены мероприятия по частотной отстройке пневмогидромеханических систем от резонансов. Частотная отстройка осуществляется путем рационального размещения агрегатов и правильного выбора соответствующих длин и диаметров трубопроводов. Во многих случаях таким путем удается добиться снижения колебаний без значительной переделки систем. Однако более характерной является обратная ситуация, когда частотная отстройка влечёт за собой не только переделку систем, но и изменение ее схемы. Поэтому на этапе доводки и в эксплуатации частотную отстройку осуществить очень трудно, так как компоновка всех систем взаимосвязана и жестко регламентирована. Кроме того, этот путь становится неэффективным для широкополосных спектров колебаний.

Эффективным методом снижения виброакустических нагрузок является применение устройств коррекции динамических характеристик. Под устройством коррекции здесь понимается любое специально устанавливаемое в систему устройство, целью которого является снижение уровня либо какого одного динамического параметра, либо всего комплекса динамических параметров системы в целом. Вопросы применения устройств коррекции динамических характеристик гидромеханических систем рассмотрены в работах Фролова К.В., Ганиева Р.Ф., Колесникова К.С., Владиславлева А.П., Шорина В.П., Чегодаева Д.Е., Шахматова Е.В., Клюкина И.И., Белоусова А.И., Головина А.Н. Таким образом, к устройствам коррекции динамических характеристик следует относить вибродемпферы, динамические виброгасители, виброизоляторы, гасители колебаний рабочей жидкости и ряд др. Задачи диссертации связаны именно с последним из перечисленных типов устройств. Отличающиеся в большинстве своем конструктивной простотой и надежностью гасители колебаний не требуют существенных перекомпоновок систем. При этом они обеспечивают гашение колебаний в широком частотном диапазоне. Уменьшая интенсивность пульсационных процессов в гидросистеме, гасители колебаний снижают уровень силового воздействия на механическую подсистему и ее вибрацию.

Проведен анализ методов математического моделирования виброакустических характеристик элементов гидромеханических систем. Вопросы математического описания виброакустических процессов рассмотрены в работах Колесникова К.С., Светлицкого В.А., Попова Д.Н., Шорина В.П., Шахматова Е.В., Крючкова А.Н., Гликмана Б.Ф., Кондрашова Н.С. Однако до настоящего времени задачи моделирования процессов виброакустического взаимодействия гидравлической и механической подсистем решены не полностью. Связано это с тем, что традиционно различные научные школы делали акцент на детальном математическом описании какой-либо одной из подсистем, принимая достаточно серьезные упрощения при моделировании другой и упуская некоторые особенности их взаимодействия.

На основании проведенного анализа известных работ сформулированы задачи исследования, направленные на решение проблемы повышения работоспособности трубопроводных систем за счет применения гасителей колебаний рабочей жидкости.