Учебная установка для демонстрации способов определения критических оборотов ротора

 

Изобретение позволяет расширить дидактические возможности и наглядность при изучении опасных режимов вращения роторов путем демонстрации связи критических оборотов с частотой собственных поперечных колебаний, с изгибной жесткостью вала, а также путем демонстрации влияния жесткости опор и процессионного движения ротора на их величину. Сущность изобретения: учебная установка включает в себя исследуемый ротор, состоящий из вала и дисков по середине и на консоли, закрепленный на двух опорах, систему измерения параметров и регистратор (шлейфовый осциллограф). Одна из опор выполнена изменяемой жесткости. Ротор приводится во вращение электродвигателем. Частота собственных колебаний ротора определяется следующими способами: по статическому прогибу ротора путем его нагружения статическим усилием в поперечном направлении; возбуждением собственных колебаний ударом; визуально по тахометру и по результатам обработки осциллограммы. Влияние прецессионного движения демонстрируется созданием гироскопического момента на роторе с помощью консольно закрепленных дисков. Предлагаемая учебная установка позволяет серией простых наглядных опытов закрепить изучаемый материал. 3 ил.

Изобретение относится к средствам обучения, в частности к учебным и наглядным пособиям по теоретической механике, строительной механике и сопротивлению материалов.

Известно, что роторы, как элементы конструкций, находят широкое применение в машиностроении, авиационной, кораблестроительной, автомобильной и другой технике. Установлено также, что при вращении на определенных режимах наблюдаются большие прогибы вала. Работа на этих оборотах, называемых критическими, сопровождается большими вибрациями, которые в некоторых случаях приводят к разрушению конструкции. Поэтому при обучении во ВТУЗах обращается особе внимание обучаемых не только на умение рассчитывать критические обороты роторов, знание мер борьбы с их негативным влиянием на конструкцию, но и на умение экспериментально определять опасные режимы вращения различными способами.

Для ротора, у которого диск расположен по середине длины вала, критические обороты можно определить по формуле, представленной, например, в работе Г.С.Скубачевского. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1965, с.267 n_кр = , (1) где n_кр - величина критических оборотов ротора; с - жесткость вала, определяемая теоретически в зависимости от характера опор; m - масса диска ротора. Формула (1) выведена в предположении, что масса вала равна нулю.

Предлагаемая учебная установка предназначена для демонстрации обучаемым способов экспериментального определения величины критических оборотов ротора, влияние на их величину гироскопического момента, создаваемого расположенным на консоли вала съемным диском, а также влияние жесткости опор на величину критических оборотов ротора.

К аналогам предлагаемого изобретения можно отнести принципиальные схемы установок, предложенные в работе Г.С.Скубачевского. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1965, с. 266, фиг. 8.01; с.282, фиг. 8.18.

Основными элементами известных установок является вал, на котором расположен либо в центре, либо на консоли диск. Опоры, на которых закреплен вал, могут быть шарнирными или защемленными. Величину критических оборотов для схемы определяют по формуле (1). Известная схема позволяет лишь визуально наблюдать прецессионное движение вращающегося ротора.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является лабораторная установка для демонстрации прецессионных движений ротора (Г. С.Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1965, с.295-299).

Установка включает: 1. Объект исследования - вал на двух стационарных опорах, диск которого может устанавливаться в любом месте между опорами с помощью цангового зажима. Имеется дополнительная опора с ограничителем прогиба вала.

2. Систему возбуждения - электродвигатель, расположенный на левой опоре, приводящий во вращение вал; возбудитель с электродвигателем, расположенные на правом конце вала, для создания прецессии.

3. Систему замера - индуктивный датчик измерения числа оборотов возбудителя, сигнал с которого регистрируется шлейфовым осциллографом. На вал наклеены четыре тензометра, сигнал с которых через усилитель также поступает на шлейфовый осицллограф.

Возбудитель имитирует влияние гироскопического момента на критические обороты ротора. На рассматриваемой учебной установке обучаемые выявляют опасные режимы вращения ротора двумя способами: визуально и по результатам обработки осциллограмм.

Однако прототип имеет ряд недостатков.

1. Использование возбудителя для исследования прецессионного движения на величину критических оборотов ротора снижает наглядность установки и требует дополнительных пояснений.

2. Установка не позволяет исследовать влияние жесткости опор ротора на величину критических оборотов ротора. Целью настоящего изобретения является расширение дидактических возможностей и наглядности при изучении опасных режимов вращения ротора путем демонстрации связи критических оборотов с частотой собственных поперечных колебаний, с изгибной жесткостью вала, а также путем демонстрации влияния жесткости опор и прецессионного движения на величину частоты собственных колебаний ротора.

Целью настоящего изобретения является расширение дидактических возможностей и наглядности при изучении опасных режимов вращения ротора путем демонстрации связи критических оборотов ротора с частотой собственных колебаний, с игзибной жесткостью вала, а также путем демонстрации влияния жесткости опор и прецессионного движения на величину частоты собственных колебаний ротора.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемая учебная установка содержит вал на двух опорах с жестко и стационарно закрепленными в его средней части диском, ограничитель прогиба, приводной электродвигатель с возможностью регулирования числа оборотов и направления вращения, возбудитель прецессии на другом конце вала, систему измерения динамического прогиба вала и числа оборотов вала, причем одна из опор выполнена опорой изменяемой жесткости, а в другой опоре ввернут стопорный винт, стационарный диск, снабженный штоком в плоскости вращения для установки на него грузов, сменный диск, установленный на свободной консоли вала посредством цангового зажима. Кроме того установка оборудована системой замера частоты собственных колебаний ротора, состоящей из чувствительного пьезоэлемента, регистрирующего частоту поперечных колебаний, генератора частоты и устройства, выполненного на базе электронно-лучевого осциллографа, для сравнения и визуального наблюдения собственных поперечных колебаний ротора с частотой задающего генератора.

Таким образом, предлагаемая учебная установка имеет следующие существенные отличия, обладающие новизной по сравнению с прототипом: правая опора ротора выполнена как опора изменяемой жесткости; введены консольно закрепленные диски с различными массовыми и геометрическими характеристиками; в диске ротора в плоскости его вращения просверлено отверстие для крепления штока, на который в процессе статического нагружения вала могут быть установлены грузы. В этой же плоскости вращения на линии действия веса грузов расположен индикатор перемещений для измерения поперечного прогиба вала. С целью предотвращения проворачивания вала при статическом нагружении поперечной силой в левой опоре предусмотрен стопорный винт; для определения частоты собственных поперечных колебаний ротора введена дополнительная система замера, включающая генератор звуковой частоты, пьезощуп, а также возбудитель собственных колебаний ротора, например, резиновый молоток. Предлагаемые изменения конструкции установки позволяют дополнительно продемонстрировать несколько наглядных и простых способов определения критических оборотов ротора.

Один из способов определения критических оборотов ротора вытекает из анализа формулы (1). Для определения n_кр необходимо знать жесткость вала С и массу диска m. Жесткость вала можно экспериментально определить по статическому прогибу последнего, нагружая его поперечной силой Р и замеряя прогиб y c = . (2) Массу диска ротора m определяют взвешиванием. Подставляя значения m и C в формулу (1), можно определить n_кр.

Другой способ вытекает из того условия, что критическая угловая скорость численно равна круговой частоте собственных поперечных колебаний ротора. Определяя каким-либо способом частоту собственных поперечных колебаний f[Гц], можно рассчитать критические обороты ротора по формуле
n_кр = 60f. (3)
На фиг. 1 показан общий вид установки; на фиг. 2 - часть установки для статического метода определения критических оборотов ротора; на фиг. 3 - общий вид опоры переменной жесткости.

Учебная установка (фиг. 1) содержит вал 1, стационарный диск 2, опору переменной жесткости 3, жесткую опору 4, электродвигатель 5 с датчиком тахометра 6, промежуточную опору 7 для ограничения прогиба вала 1, съемный диск 8, индуктивный датчик 9, шлейфовый осциллограф 10, генератор звуковой частоты 11, электронно-лучевой осциллограф 12, пьезощуп 13, основание 14.

На фиг. 2 указаны шток 15, груз 16, индикатор перемещений 17, стопорный винт 18.

На фиг. 3 обозначены гайка 19, резьбовая втулка 20, подшипник 21, разрезной вкладыш 22, корпус 23, стойка 24.

На основании 14 (фиг. 1) жестко закреплены электродвигатель 5 с датчиком тахометра 6, жесткая опора 4, промежуточная опора 7 для ограничения прогиба вала 1, опора переменной жесткости 3. Опоры 3, 4, 7 и электродвигатель соединяются с основанием 14 с помощью стоек 24. Вал 1 размещен в опорах 3 и 4 с возможностью вращения. На валу 1 размещены стационарный диск 2 и съемный диск 8. Для вращения вала 1 используется электродвигатель 5 постоянного тока. На электродвигателе 5 для измерения частоты оборотов ротора установлен датчик тахометра 6, который соединен с шлейфовым осциллографом 10. Под стационарным диском 2 располагается индуктивный датчик 9 для измерения прогиба вала 1. Индуктивный датчик 9 соединен с шлейфовым осциллографом 10. Для измерения собственных поперечных колебаний вала 1 и стационарного диска 2 используется пьезощуп 13, соединенный с вертикально-отклоняющими пластинами элект- ронно-лучевого осциллографа 12. На его горизонтально-отклоняющие пластины подается сигнал с генератора звуковой частоты 11. Собственные поперечные колебания вала 1 создаются каким-либо возбудителем, например ударом резинового молотка. В стационарный диск 2 ввернут шток 15 (фиг. 2), на котором располагаются грузы 16. Под стационарным диском устанавливается индикатор перемещений 17. Для стопорения вала 1 используется стопорный винт 18. Опора переменной жесткости 3 (фиг. 3) включает подшипник 21, размещенный в разрезном вкладыше 22, который своим вкладышем крепится к корпусу 23. На цилиндрической поверхности разрезного вкладыша 22 размещена с возможностью перемещения резьбовая втулка 20, которая приводится в движение с помощью гайки 19.

Перед началом работы устанавливается необходимая жесткость опоры переменной жесткости 3 путем вращения гайки 19 (вручную) и последующим поступательным перемещением резьбовой втулки 20 по разрезному вкладышу 22, изменяя тем самым условия опирания подшипника 21. При крайнем правом положении резьбовой втулки 20 (втулка полностью убрана в корпус 23) опора вала 1 будет "жесткой".

При подаче питания на электродвигатель 5 (фиг. 1), величину оборотов которого можно плавно изменять, например, с помощью реостата, начинает вращаться вал 1 с заданными оборотами с находящимся на нем стационарным диском 2 и съемным диском 8. Датчик тахометра 6, закрепленный на электродвигателе 5, замеряет текущие обороты вращения вала 1 и передает электрический сигнал на шлейфовый осциллограф 10. Индуктивный датчик 9 замеряет величину прогиба вала 1. Сигнал с индуктивного датчика 9 поступает на вход шлейфового осциллографа 10. На осциллограмме записывается величина прогиба вала 1. В зависимости от числа оборотов и метки, соответствующей максимальному прогибу, будет являться критическим.

Для демонстрации влияния гироскопического момента, то есть прецессии на критические обороты ротора на консоли вала 1 с помощью цангового зажима устанавливаются различные съемные диски 8. Могут быть несколько комплектов дисков 8. Масса дисков 8 в каждом комплекте различная. Но в одном и том же комплекте масса одинаковая, а моменты инерции дисков 8 различные (различные диаметры дисков при одной и той же массе). Эти съемные диски устанавливаются поочередно и демонстрируется оказываемое ими влияние на величину критических оборотов ротора. Для возбуждения собственных поперечных колебаний ротора со стационарным диском 2 наносятся по валу 1 удары резиновым молотком. Колебания вала 1 фиксируются пьезощупом 13, сигнал с которого подается на электронно-лучевой осциллограф. Изменяя частоту генератора 11, добиваются появления на экране электронно-лучевого осциллографа 12 фигуры (например, эллипса), по которой определяют частоту собственных поперечных колебаний вала 1 со стационарным диском 2, которая численно равна частоте критических оборотов ротора (зависимость (3).

Работа установки для определения критических оборотов ротора методом статического прогиба.

Перед началом работы необходимо зафиксировать вал 1 (фиг. 2) с помощью стопорного винта 18 для предотвращения его самопроизвольного проворачивания. В отверстие с резьбой на стационарном диске 2 вворачивается шток 15. Под стационарный диск 2 подставляется индикатор перемещений 17 и фиксируется на нем начальный отсчет. На шток 15 устанавливаются грузы 16. При этом индикатор перемещений 17 замеряет соответствующие им поперечные прогибы вала 1. Жесткость вала 1 определяется по зависимости (2) и подставляется в зависимость (1), по которой определяется частота критических оборотов вала 1 со стационарным диском 2.

По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обладает следующими преимуществами:
установка позволяет демонстрировать способ определения критических оборотов ротора по статическому прогибу вала 1 ;
установка позволяет демонстрировать способ определения критических оборотов ротора по частоте собственных поперечных колебаний;
установка позволяет демонстрировать влияние жесткости опор ротора на его критические обороты;
установка позволяет демонстрировать влияние прецессионного движения, создаваемого съемными дисками, консольно расположенными на валу, имеющими различные массовые и геометрические характеристики, на критические обороты ротора.

Формула изобретения

УЧЕБНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКИХ ОБОРОТОВ РОТОРА, содержащая вал на двух опорах с жестко закрепленным на нем диском, ограничитель прогиба, приводной электродвигатель с возможностью регулирования числа оборотов и направления вращения, возбудитель процессии на другом конце вала, систему измерения динамического прогиба вала, числа оборотов вала, отличающаяся тем, что, с целью расширения дидактических возможностей и наглядности при изучении опасных режимов вращения ротора путем демонстрации связи критических оборотов с частотой собственных колебаний и изгибной жесткостью вала ротора, она имеет систему замера частоты собственных колебаний ротора, чувствительный элемент, регистрирующий частоту его собственных поперечных колебаний, генератор частоты и устройство для визуального наблюдения и сравнения собственных поперечных колебаний ротора с частотой генератора, при этом одна из опор выполнена опорой переменной жесткости, в другой опоре ввернут винт, стопорящий вал, стационарный диск снабжен штоком в плоскости вращения для установки на него грузов, а консоль вала имеет средство для установки сменных дисков с различными массовыми и геометрическими характеристиками, снабженных цанговыми зажимами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3