Автореферат (Методология расчета и динамический анализ турбозубчатых агрегатов главного привода судовых гребных винтов)

На правах рукописиНасонов Дмитрий АлександровичМЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА И ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗТУРБОЗУБЧАТЫХ АГРЕГАТОВ ГЛАВНОГО ПРИВОДА СУДОВЫХГРЕБНЫХ ВИНТОВСпециальность 01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукМосква – 2016Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте машиноведения им.

А.А.Благонравова Российскойакадемии наук (ИМАШ РАН).Научный консультант:доктор технических наукКосарев Олег Иванович.Официальные оппоненты: Куменко Александр Ивановичдоктор технических наук, начальник центра мониторинга и технической диагностики в энергетикеООО«Научно-производственныйцентрДИНАМИКА», г. Москва.Темис Юрий Моисеевичдоктор технических наук, профессор, профессоркафедры «Прикладная математика» Федеральногогосударственного бюджетного образовательногоучреждения высшего образования «Московскийгосударственный технический университет им.Н.Э. Баумана», г. Москва.Крюков Владимир Алексеевичдоктор технических наук, профессор, профессоркафедры «Проектирование механизмов и деталеймашин» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Тульский государственный университет»,г. ТулаВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский университет «МЭИ»(Московский энергетический институт) г.

Москва.Защита состоится 19 октября 2016 года в 14:00 на заседании диссертационногосовета Д 212.125.05 при ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт(национальный исследова-тельский университет)» по адресу: 125993, г.Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО МАИ (НИУ) ина сайте http://mai.ru/events/defence/doctor/index.php?ELEMENT_ID=70315.Автореферат разослан «___» ____________ 2016 года.Ученый секретарьдиссертационного советаФедотенков Г.В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.Актуальность темы. В работе решается проблема снижения уровнявибрации в главных турбозубчатых агрегатах (ГТЗА). Главным называется агрегат, предназначенный для привода гребного винта.

Динамическими характеристиками ГТЗА в значительной мере определяются виброшумовые параметры кораблей и подводных лодок, на которых данные агрегаты устанавливаются. Данный факт определяет важность и актуальность затрагиваемой тематики.Турбозубчатый агрегат, – это важный компонент судовой силовой илиэнергетической установки, представляющий собой турбину и редуктор, которые связаны системой валопроводов и установлены на общей раме. Все три составляющие (турбина, редуктор, валопроводы) являются источниками вибрации.С точки зрения обеспечения виброшумовых характеристик наиболее проблематичным является редуктор.

Это основной источник вибрации, передаваемой на винт и распространяющейся в окружающую среду.В настоящее время в конструкциях корабельных турбозубчатых агрегатовполучили распространение планетарные схемы редукторов, которые выгодноотличаются от переборных (рядовых) своими массо-габаритными характеристиками. Вместе с тем многократная статическая неопределимость данных систем приводит к необходимости обеспечения равномерного распределениямощности по параллельным потокам и по зубчатым зацеплениям. Это одно изважнейших условий снижения уровня вибрации.

Для решения этой и другихподобных задач под руководством Э.Л Айрапетова в ИМАШ РАН было создано новое научное направление «строительная механика редукторных систем».Однако используемые математические модели, созданные на базе методов строительной механики, исчерпали свои возможности, а уровни вибрациимощных планетарных редукторов современных корабельных установок не соответствуют предъявляемым к ним требованиям.

Необходимы дополнительныенаучные изыскания и численные эксперименты, для исследования динамических характеристик редукторов и выбора наилучших конструктивных решенийна стадии проектирования. Следовательно, необходима разработка методик3построения новых, более совершенных математических моделей редукторов и ГТЗА, адекватно отражающих их динамические свойства, а так же методов их расчета.Проблемы, связанные с вибрацией в турбоагрегатах, на сегодняшний деньуспешно решаются благодаря большому количеству теоретических и экспериментальных работ, посвященных этим вопросам. Тем не менее, при разработкеновых конструкций рабочих колес турбоагрегатов и поиске оптимальных конструктивных решений достаточно остро встают задачи достоверного определения частот и форм их собственных колебаний на стадии проектирования.

Поэтому разработка специализированного отечественного программногообеспечения для расчета собственных колебаний рабочих колес турбомашинтоже остается актуальной задачей.На сегодняшний день наиболее эффективным и универсальным методомрешения задач динамики и прочности сложных механических систем являетсяметод конечных элементов (МКЭ). Существенным недостатком метода является высокая ресурсоемкость. Мощность современных ЭВМ и специальные алгоритмы частично снимают данную проблему, по крайней мере, в отношении количества требуемой памяти, но с ростом объема вычислений начинают игратьроль ошибки округления и погрешности самого метода, что может оказатьсяпричиной снижения точности расчетов.

Поэтому всегда будет оставаться актуальной затрагиваемая в данной работе задача оценки точности моделирования.Таким образом, формулируя цель работы как «снижение уровня вибрации при проектировании малошумных ГТЗА» можно определить основные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:1. Построение математических моделей колебаний турбозубчатого агрегатав сборе и его отдельных компонентов.2. Разработка алгоритмического и программного инструментария для исследования напряженно-деформированного состояния и динамики конструктивных элементов турбозубчатых агрегатов.43.

Разработка методик моделирования турбозубчатых агрегатов и их конструктивных элементов.4. Оценка адекватности построенных моделей.5. Исследование динамических характеристик ГТЗА и разработка предложений по улучшению конструкций судовых редукторов на примере двухступенчатого планетарного редуктора РП18, производства Калужскоготурбинного завода.Направление исследований. Первая (основная) часть работы (гл. 2,3,4)посвящена методологии конечноэлементного моделирования и исследованиюдинамики ГТЗА и входящих в него компонентов.

Рассматриваются методикипостроения математических моделей планетарных редукторов, дисковых муфт,роторов турбоагрегатов. Исследуется динамика планетарного редуктора в составе ГТЗА. Рассматривается влияние некоторых конструктивных параметровна уровень вибрации ГТЗА. Исследования проводятся с помощью программного комплекса (ПК) ANSYS.Во второй части (гл.5) внимание уделяется разработке программногообеспечения. Рассматривается разработка узкоспециализированного конечноэлементного программного комплекса для расчета собственных колебаний рабочих колес турбоагрегатов.Разработка собственного программного обеспечения позволила авторуприменить свои и модифицировать существующие алгоритмы расчета, апробировать разработанные конечные элементы (КЭ) высшего порядка, показать ихдостоинства и недостатки, сформулировать некоторые критерии корректностиматематических моделей.Методы исследований.

В работе используются методы идеализации иформализации механических систем. Для математического моделирования используется метод конечных элементов, для определения некоторых параметровмоделей – метод идентификации. При оценке адекватности модели используется метод сравнения с экспериментальными данными и результатами других авторов.

При планировании численных исследований и анализе полученных результатов использовались методы дедукции, абстрагирования и обобщения.5Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов ирекомендаций обоснована:− Строгим использованием классических положений механики и математического аппарата.− Проверкой разработанного программного комплекса и построенных моделей на большом числе тестовых задач.− Соответствием полученных результатов экспериментальным данным и результатам, полученным другими авторами.На защиту выносятся основные результаты, сформулированные в перечисленных ниже пунктах.− Методики, алгоритмы и программные реализации моделирования динамики турбозубчатого агрегата и его компонентов:•рабочих колес и роторов турбоагрегатов;•дисковых муфт;•планетарных редукторов.− Конечноэлементная модель двухступенчатого планетарного редуктора.− Критерии корректности использования в расчетах свойств циклическойсимметрии.− Рекомендации по улучшению конструкции редуктора РП18.Научная новизна работы.Все положения и результаты, выносимые на защиту удовлетворяют требованиям научной новизны.

Дополнительно можно отметить:− Предложен комбинированный подход к моделированию турбозубчатого агрегата, при котором часть конструкции моделируется методом конечныхэлементов, а часть на основе аналитических или эмпирических зависимостей, полученных ранее.− Получены ответы на вопросы о влиянии податливости отдельных элементовконструкции на динамику системы. В частности, выявлено влияние податливости водила на формирование осевых колебаний в планетарных редукторах с шевронным зацеплением.6− Сформулированы качественные критерии корректности использованиясвойств ЦС в расчетах форм резонансных колебаний, что позволяет оценивать достоверность расчетных форм колебаний.Практическая ценность работы.Разработан специализированный программный комплекс для расчета собственных колебаний рабочих колес турбоагрегатов.Разработана нового поколения математическая модель планетарного редуктора.

Это открывает новые возможности для исследования динамики турбозубчатых агрегатов. Модель позволяет исследовать влияние большинства конструктивных параметров на динамику системы и находить оптимальные решения.Сформулированы и подтверждены численными экспериментами рекомендации, направленные на снижение уровня вибрации (на 6-10 дБ) и уровняконтактных напряжений в зацеплениях (на 5-8%) редуктора РП18 производстваОАО КТЗ.Реализация указанных предложений способствует повышению обороноспособности ВМФ. Данные рекомендации вошли в перечень правил конструирования малошумных редукторов для лодок 4-го поколения.Кроме того, все разработанные методики, алгоритмы и программноеобеспечение применимы не только к судовым и корабельным, но и к авиационным турбозубчатым агрегатам.Внедрение.