Анализ и совершенствование конструкции нагнетателя НЦ-16

Анализ и совершенствование конструкции нагнетателя НЦ-16

1. Общая характеристика центробежного нагнетателя НЦ-16

1.1 Особенности конструкции

Нагнетатель НЦ - 16 предназначен для повышения давления в магистральных трубопроводах при перекачке природного газа. Нагнетатель центробежного типа, двухступенчатый с вертикальным разъемом состоит из следующих основных узлов (рис. 1): корпуса нагнетателя с крышками; внутреннего корпуса; ротора; уплотнения ротора; опорного и упорно-опорного подшипников; блока маслонасосов.

Корпус нагнетателя служит основным силовым элементом, воспринимающим нагрузки от статора и ротора нагнетателя и передающим их через опоры на раму агрегата.

Корпус (рис. 1) представляет собой стальной кованый цилиндр, с внешней стороны которого приварены стальные, кованые всасывающий и нагнетательный патрубки. К нижней части цилиндра приварены опорные лапы для крепления корпуса к раме. Здесь же, параллельно оси нагнетателя, с целью фиксации его от поперечных перемещений после центровки с ротором свободной турбины двигателя выполнены шпоночные пазы. В верхней части цилиндра приварены опоры для крепления двух гидроаккумуляторов и кронштейны для установки строповочного приспособления. В вертикальной плоскости цилиндра сверху и снизу выполнены резьбовые отверстия, через которые осуществляется выход воздуха при гидроиспытаниях и дренаж из полости корпуса.

С обеих торцов цилиндр закрыт стальными коваными крышками 9, 13, осевое положение которых фиксируется разрезными стопорными кольцами 14, 15 и кронштейнами 10. На обеих крышках на наружной поверхности выполнены кольцевые проточки, в которые установлены уплотнительные кольца, герметизирующие внутреннюю полость нагнетателя. В центральном отверстии крышек выполнены проточки, сообщающиеся внутренними каналами со штуцерами подвода масла для смазки подшипников, подвода масла в уплотнения, уравнительной линии «масло - газ», отвода газа на регуляторы перепада давления РПД - 2М, слива масла из полости «масло - газ». В вертикальной плоскости выполнены каналы для вывода воздуха из полости между уплотнительными кольцами в крышках.

К крышке 13 крепится уплотнение 8 корпуса опорного подшипника 18 и его кожуха 20. К крышке 9 с наружной стороны крепятся уплотнения 8, корпус опорно-упорного подшипника 5 и кожух, на котором установлен блок маслонасосов 6. Со стороны нагнетания к крышке крепится улитка 4, которая совместно с внутренней поверхностью образует сборную полость с радиальным выходом. В центральной расточке установлена втулка лабиринтного уплотнения 12 между улиткой и поверхностью разгрузочного диска. Поверхности втулки 12 и улитки, улитки и крышки 9 уплотняются резиновыми кольцами.

Крышка 13 совместно с внутренним корпусом 2 образует полость с радиальным входом.

Внутренний корпус состоит из камеры газоприемной; диафрагмы; аппарата входного направляющий; диффузоров и и обратного направляющего аппарата. Во внутренней полости газоприемной камеры установлен и закреплен болтами входной направляющий аппарат. Входной направляющий аппарат предназначен для обеспечения осесимметричного подвода газового потока к рабочему колесу первой ступени нагнетателя. Он представляет собой лопаточный конфузор, изготовленный из высокоскоростной стали. С обратной стороны к газоприемной камере крепится лопаточный диффузор первой ступени нагнетателя. Лопаточный диффузор обеспечивает выравнивание поля скоростей газового потока и способствует преобразованию кинетической энергии движущегося газа в потенциальную. Он состоит из основного диска, профильные лопатки которого выполнены фрезерованием, и вспомогательного диска. Соединение конструктивных элементов диффузора осуществляется пайкой. Крепление диффузора к газоприемной камере производится болтами. Крепежные болты устанавливаются в отверстиях, выполненных в теле лопаток диффузора.

Лопаточный диффузор второй ступени нагнетателя конструктивно выполнен так же. Крепление его осуществляется болтами к диафрагме внутреннего корпуса.

В центральной расточке диафрагмы смонтирован и закреплен болтами обратный направляющий аппарат. Он является единственным горизонтально-разъемным узлом в конструкции нагнетателя. Такая конструкция статорной части позволяет производить монтаж и демонтаж ротора без извлечения внутреннего корпуса, что значительно упрощает обслуживание нагнетателя.

Диафрагма и газоприемная камера соединены между собой болтами.

В центральной расточке газоприемной камеры и обратного направляющего аппарата установлены втулки лабиринтных уплотнений с рабочими колесами первой и второй ступеней нагнетателя.

Торцевые и диаметральные уплотнения между деталями внутреннего корпуса осуществляется уплотнительными резиновыми кольцами.

В нижней части внутреннего корпуса имеются ролики, на которых он вкатывается в корпус нагнетателя.

Рабочие колеса и разгрузочный диск устанавливаются на с натягом, что предотвращает поворот этих деталей относительно вала при работе нагнетателя. Сборка этих деталей производится путем нагрева колес и разгрузочного диска 240…300ºС. От осевого смещения эти детали фиксируются стопорными кольцами.

Рабочее колесо состоит из основного и покрывного дисков. В основном диске выполнены лопатки путем фрезерования. Для повышения долговечности на поверхность лопаток и диска на входе в колесо наносится износостойкое покрытие шликер ВКМ-65.

Соединение основного и покрывного осуществляется вакуумной пайкой с использованием припоя ПЖК-1000.

Втулки уплотнений 7 относительно вала уплотняются резиновым кольцом и фиксируются от осевого смещения стопорным кольцом. На их поверхности нанесено износостойкое покрытие.

Упорный диск вместе с дистанционной втулкой, распорной втулкой закрепляются на валу гайкой.

Упорный диск является конструктивным элементом упорного подшипника. Осевые нагрузки, возникающие при работе нагнетателя, с помощью упорного диска передаются через упорно-опорный подшипник на корпус нагнетателя.

Перед сборкой вал и рабочие колеса подвергаются статической балансировке. Для вала допускается дисбаланс не более 10 г/см, а для колеса - не более 2 г/см на наружном диаметре колеса.

После сборки ротор проходит динамическую балансировку. Допускаемая величина дисбаланса должна быть не более 93 г/см.

Уплотнение ротора нагнетателя состоит из двух функционирующих совместно уплотнений: щелевого масляного уплотнения с плавающими кольцами и лабиринтного.

Масляное концевое уплотнение размещено в корпусе и фиксируется крышкой. Оно состоит из наружного и внутреннего уплотнительных колец. Внутри наружного кольца пять колодок, способствующих «всплытию» кольца при работе нагнетателя. Уплотнение колец и осуществляется за счет деформации резинового уплотнительного кольца, а фиксация от поворота - штифтами.

В корпусе имеется радиальное отверстие, через которое во внутреннюю полость уплотнения подается масло из системы уплотнения.

Лабиринтное уплотнение представляет собой ступенчатую втулку. На внутренней поверхности выполнены профилированные канавки. Через радиальное отверстие во втулке внутренний объем лабиринтного уплотнения сообщается с регулятором перепада давления.

Герметизация уплотнения ротора в крышке нагнетателя достигается постановкой резиновых уплотнительных колец.

Опорный подшипник представляет собой горизонтально-разъемный корпус, обе половины которого соединены призонными болтами. В центральном отверстии корпуса расположены пять опорных колодок, зафиксированных от поворота штифтами 6. опорные колодки от смещений в корпусе удерживаются специальными проточками, выполненных в разъемных втулках.

Опорные колодки выполнены из стали с заливкой рабочих поверхностей баббитом Б-83. Диаметральный зазор между колодками и валом является величиной расчетной и обеспечивается в процессе изготовления подшипника. Уплотнение подшипника и вала осуществляется разъемной втулкой и вкладышем, на внутренней поверхности которых выполнены проточки, образующие с ответной поверхностью лабиринт. Втулка и вкладыш сделаны из сплава АК-6. Величины зазоров в уплотнении являются расчетными и определяют расход масла и температурный режим работы подшипника. Подвод масла из системы смазки производится через отверстия А в нижней и верхней половинах корпуса. Температурный режим работы подшипника контролируется с помощью датчиков температуры масла. К верхней половине корпуса на двух кронштейнах закреплены датчики вибрации ротора.

Упорный пакет (конструкция левого и правого пакетов одинакова) включает в себя сепаратор, в пазах которого расположены упорные колодки 3, пружины 9 и кольцо 1. Сепаратор фиксируется от поворота относительно кольца 1 винтами, а кольцо 1 относительно корпуса 8 штифтами. Для исключения смещения пружин 9 относительно упорных колодок в сепараторе выполнены специальные расточки. Рабочая поверхность колодок 3 залита баббитом.

Подшипник опорный: 1 - корпус; 2 - штифт; 3 - вкладыш; 4, 5 - разъемные втулки; 6 - штифт; 7 - опорная колодка; 8 - болт призонный

Осевой зазор между упорным диском ротора и упорными колодками является расчетным и обеспечивается подгонкой толщины регулировочного кольца.

Подвод масла из системы смазки к упорным пакетам производится раздельно, для чего в корпусе 8 имеются специальные каналы.

Для уплотнений полости упорного подшипника в крышке установлена стальная втулка, рабочая поверхность которой залита баббитом.

Расход масла и температурный режим работы подшипника регулируется алюминиевым подшипником. Температура масла контролируется с помощью датчиков.

Корпус упорного подшипника крепится к корпусу опорного с помощью болтов и винтов. На крышке установлены кронштейны контроля вибрации ротора нагнетателя.

Блок маслонасосов со встроенным редуктором предназначен для обеспечения маслом системы смазки и уплотнений нагнетателя. Он представляет собой работающий совместно шестеренчатый насос смазки и трехвинтовой насос уплотнений 3 В - 8/100. Привод блока маслонасосов осуществляется от вала ротора.

Вал-шестерня 7 благодаря внутреннему шлицевому зацеплению передает вращение на вал трехвинтового насос, а шестерня 8 - на вал насоса смазки. Шестерни редуктора и насоса смазки установлены на подшипниках скольжения. Смазка подшипников насоса смазки осуществляется за счет давления в самом маслонасосе. Смазка подшипников скольжения редуктора зубчатых и шлицевых соединений производится через сверления в корпусе 1 и трубопроводы, соединенные с нагнетательным патрубком насоса смазки.

Работа уплотнений и подшипников нагнетателя. Из стационарного трубопровода по линии 1 газ подводится в газоприемную полость А нагнетателя. После сжатия, пройдя первую и вторую ступени нагнетателя, он поступает в выходную полость Б, откуда по линии 2 подается в напорную ветвь стационарного трубопровода.

Давление газа на входе (полость А) и на выходе (в полости Б) нагнетателя значительно отличаются от атмосферного и составляет 5,17 МПа и 7,45 МПа соответственно. Для того, чтобы конструктивно уплотнения нагнетателя были одинаковыми (и с целью уменьшения осевых нагрузок на опорно-упорный подшипник), полость В за разгрузочным диском соединена с полостью А трубопроводом 8. Данное конструктивное мероприятие, кроме того, способствует повышению эффективности лабиринтного уплотнения между разгрузочным диском и улиткой, так как уменьшает перепад давления между полостями Б и В.

Газ, находясь под избыточным давлением, из полости А и В через зазоры между валом ротора и крышками нагнетателя поступает ко втулкам уплотнений и, пройдя первый лабиринт, попадает через радиальные отверстия в полость кольцевых проточек Г. Эти полости соединены уравнительной линией 7, благодаря чему в них происходит окончательное выравнивание давления газа.

С другой стороны масло, под давлением от насоса уплотнения по линии 14 направляется по трубопроводам системы уплотнений к агрегату РПД - 2М (регулятор перепада давления). К этому же агрегату подводится линия 4, связывающая его с полостями кольцевых проточек Д. Назначение РПД - 2М заключается в том, что он обеспечивает подачу масла по линии 3 в полости кольцевых проточек Е на 0,16…0,20 МПа больше, чем в полостях кольцевых проточек Д. Поэтому масло всегда будет перетекать из полостей Е через зазоры в полости Д навстречу движения газа и, таким образом, обеспечивать надежную герметизацию между вращающимся валом и неподвижным уплотнением.

Из полостей кольцевых проточек Д маслогазовая смесь под давлением направляется по линии 5 к маслодатчикам, а затем в трубопровод слива.

Масло от насоса смазки под давлением подается по линии 12 в масляную систему, оттуда по линии 6 направляется в полости кольцевых проточек Ж и через отверстия в крышке попадает на смазку опорных и опорно-упорного подшипников. Часть масла из системы уплотнения, прошедшего через лабиринтные уплотнения из полости Е в полости Ж, смешивается там с маслом, поступающим на смазку подшипников. Масло, отработавшее в системах смазки и уплотнения, поступает по линии 9 на слив.

1.2 Особенности эксплуатации

Нагнетатель НЦ - 16 работает в составе газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16 на базе авиационного привода НК - 16 СТ. В процессе эксплуатации на техническое состояние нагнетателя влияет комплекс различных факторов. Эти факторы связанны как с внешними условиями и нагрузками, действующими на конструкцию нагнетателя, так и с условиями технической эксплуатации.

На конструкцию нагнетателя действуют следующие нагрузки. На корпус и крышки нагнетателя приходится избыточное давление, перекачиваемого газа, а так же пульсации этого давления. Вал нагнетателя подвержен статическим и динамическим нагрузкам. К статическим нагрузкам относятся нагрузки от масс самого ротора и масс рабочих колес. К динамические нагрузки возникают при вращении вала от остаточной неуравновешенности ротора и рабочих колес, а так же несоосность вала нагнетателя и вала свободной турбины. Также на рабочие колеса действуют пульсации давлений от неравномерного потока газа. Подшипники испытывают статические нагрузки от массы нагнетателя и осевой силы, действующей от перепада давления на рабочих колесах, динамические нагрузки возникают при вращении вала от остаточной неуравновешенности масс вала а так же несоосность вала нагнетателя и вала свободной турбины.

Внешние условия, влияющие на техническое состояние нагнетателя в процессе эксплуатации: высокая температура газа, влажность, загрязненность газа. От повышенной температуры в элементах конструкции нагнетателя возникают температурные деформации. При повышенной влажности и загрязненности газа элементы проточной части подвержены эрозионному износу. Так же от повышенной влажности газа возникает коррозия металов.

К факторам, зависящим от технического обслуживания, следует отнести организацию эксплуатации, степень обученности инженерно-технического состава, качество выполняемых работ, качество ремонта, особенности транспортировки и хранения. Работы, проводимые личным составом, с одной стороны устраняют неисправности и поддерживают работоспособность двигателя, с другой стороны, могут ухудшить его в результате неграмотных воздействий при выполнении демонтажно-монтажных работ.

Надежность работы двигателя и его эксплуатационные параметры в большой степени зависят от технически грамотной его эксплуатации.

Система ТО и Р нагнетателя.

Руководством по эксплуатации двигателя является «Агрегат газоперекачивающий ГПА-Ц-16. Инструкция по эксплуатации. Сумское ордена Ленина машиностроительное произв. об-ние им. М.В. Фрунзе».

Система обслуживания - планово-предупредительная.

Инструкцией по эксплуатации предусмотрено:

Ежедневное обслуживание, включающее в себя: осмотр нагнетателя; регистрация и экспресс анализ параметров нагнетателя через каждые два часа.

Периодическое техническое обслуживание проводится через каждые 2000 часов, промежуточный ремонт проводится через 6000 часов, капитальный ремонт через 12000 часов, и включают следующие работы:

Через 2000 часов проверяется состояние подшипников, их уплотнений. Ротор осматривается эндоскопом. Обязательно центрируется ротор нагнетателя и двигателя.

Через 6000 часов производятся работы, проводимые через 2000 часов, а так же проверяется затяжка фундаментных болтов.

Через 12000 часов производятся работы, проводимые через 2000 часов и 6000 часов, а так же снимаются крышка нагнетателя, проверяется состояние подшипников, шеек вала под подшипники, измеряются шейки вала и зазор в лабиринтных уплотнениях, проверяется состояние торсионного вала и измеряется зазоры в зубчатых соединениях этого вала.

2. Анализ эксплуатационной надежности нагнетателя НЦ-16

Эксплуатационная надежность - важнейшее свойство изделия, определяющее их способность нормально функционировать в заданных условиях эксплуатации. Задачи анализа надежности в настоящее время решаются как на этапе создания новой техники, так и в процессе ее эксплуатации. Они наиболее актуальны для сложных и ответственных технических устройств, к которым относится нагнетатель.

Анализ эксплуатационной надежности служит основой для обоснования мероприятий по совершенствованию технологических процессов разборки и сборки конструкции нагнетателя.

Комплексное понятие «надежность» характеризует ряд специфических свойств нагнетателя: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Наиболее важным из них является безотказность, т.е. способность нагнетателя выполнять заданные функции в течение установленного периода времени, сохраняя значения основных выгодных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. В дипломном проекте понятие эксплуатационная надежность отождествляется с безотказностью объекта.

2.1 Качественный анализ надежности

Результаты выполнения анализа надежности во многом зависят от представительности собранных статистических данных об отказах и неисправностях заданного нагнетателя. Статистические данные, выписанные из ведомости дефектов, представлены в таблице 1.

В графе «Характер отказов» указывается сущность неисправности, следствием которой явилось нарушение работоспособности двигателя.

В графе «Повторяемость» указывается общая наработка двигателя до отказа, выраженная в часах.

В графе «Обстоятельства обнаружения» указываются способ и место обнаружения отказа.

В графе «Классификация» указывается предполагаемое происхождение отказа:

конструктивно-производственный недостаток (КПН);

нарушение режимов эксплуатации (Э);

нарушение при ремонте (Р).

На основе статистических данных, производится качественный анализ надежности двигателя. При этом анализируется влияние отказов объекта на безопасность, рассматриваются характерные причины возникновения отказов, сущность мероприятий по их предупреждению и т.д.

Таблица 1 - Статистические данные об отказах

Производится группирование отказов по принадлежности к узлам нагнетателя, по причине и происхождению. Результаты группирования отказов показываются в виде круговых диаграмм, отражающих процентное соотношение различных групп отказов. Дается общая характеристика надежности двигателя, указываются наиболее опасные и часто повторяющиеся отказы, анализируются причины их возникновения, выбираются объекты для дальнейшего углубленного анализа.

Выводы:

. При проведении анализа выяснилось, что больше всего отказов приходится на вал нагнетателя. Из распределения отказов следует, что на износ приходится 28,5% всех отказов. На динамические разрушения, старение, эрозионный износ, и прочие приходится 14,3%. Необходимо увеличить износостойкость трущихся пар, увеличить динамическую прочность баббитовой заливки колодок подшипника. Также необходимо повысить контроль со стороны инженерно-технического персонала за качеством проводимых работ по центровке нагнетателя с двигателем и работ по монтажу деталей маслосистемы.

По происхождению отказов на долю конструктивно-производственных отказов приходится 71,5%, а на долю нарушения правил эксплуатации 28,5% отказов. Так как подавляющее число отказов являются конструктивно-производственными, то следует обратить наибольшее внимание на технологию сборки и культуру производства узлов нагнетателя. Также большое количество отказов, связанно с нарушением правил эксплуатации. Это связанно с тем, что работы по техническому обслуживанию производятся специалистами низкой квалификации. По этому необходимо повысить контроль работ по обслуживанию при эксплуатации.

. Для дальнейшего исследования выбирается износ торцевого уплотнения, так как именно на него приходится наибольшее количество отказов.

2.2 Количественный анализ надежности

Для количественного анализа надежности выбирается торцевое уплотнение, так как именно на него приходится наибольшее количество отказов. Неисправность данного соединения - износ.

Исходные данные для анализа выбираются из таблицы 1.

Исходными данными являются:

время наблюдения  часов;

число изделий N=174;

число неисправных изделий n=31;

время наработки до отказа отдельных экземпляров : 350,930,990,1010,

,1700,1840,1920,2680,3020,3270,3650,3820,3890,7119,4210,4280,4380,4450,4500,4720,4800,4840,5050,5180,5320,5460,5690,

Интервал наработки разбиваем на разряды по правилу Старджена:

.

Принимаем число разрядов равным 6 с величиной ч.

В каждом разряде вычисляем значения , ,  по формулам:

где -плотность отказов;

- число объектов, отказавших в интервале наработки ;

- число изделий.

где - интенсивность отказов,

- число объектов, исправно проработавших на начало рассматриваемого периода (т.е. на начало i-го разряда).

,

где -вероятность безотказной работы.

Результаты расчетов представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Расчет эмпирических характеристик

№ инт.     , час, час, час, /час,

По данным таблицы 2 строятся гистограммы эмпирического распределения (рис. 11).

Рисунок 11 - Гистограммы эмпирического распределения: а - плотность распределения; б - интенсивность отказов; в-вероятность безотказной работы

Выдвигаем гипотезу о нормальном законе распределения, так как именно оно характерно для отказов, связанных с износом.

Нормальный закон распределения является двухпараметрическим, т.е. для его полного определения необходимо найти два параметра -и .Выберем значение наработки и .В данном случае осуществлен план [NUT]. Значениясоответственно: ; . По таблице стандартной нормальной функции распределения находим значения квантилей Z, соответствующих значений: ; Параметр  определяется по формуле:

,

ч.

,

.

Проверка правильности принятой гипотезы производится с помощью критерия Пирсона , рассчитываемого по формуле:

,

где  - теоретическая вероятность отказа в интервале;

 - наработки, соответствующие началу и концу интервала.

Результаты расчетов представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Расчет критерия Пирсона

Число степеней свободы r в случае шести разрядов таблицы и двух параметров закона распределения равно 3. Задавшись уровнем значимости α=10%, по таблице  /3/, в зависимости от Р=90% и числа степеней свободы r=3 определяется критическое значение =6,25. Значение =5,05522 не попадает в критическую область (6,25; +∞), принятая гипотеза не противоречит статистическим данным.

Верхняя и нижняя границы доверительного интервала вычисляются по формулам:

;

;

;

;

-квантиль нормального распределения; для ;

; и  находятся по таблице в зависимости от величины k,

; ; ;

;

;

;

Таким образом, интервал (3913,6; 6512,2) с доверительной вероятностью 90% покрывает истинное значение параметра , а интервал (9105,4; 12529,6) - значение параметра .

Построение графиков распределения производим для диапазона 0<t<12000 часов (рис. 12). Расчетные данные сведены в таблице 4.

Вычисления проводятся по формулам:

; ; .

Таблица 4 - Расчет теоретических характеристик

Определим -процентный ресурс для  и нижней оценки .

,

.

Квантиль соответствующей вероятности 0,0001, определяется по таблице 2.

; отсюда ч.

Отрицательное значение наработки объясняется тем, что отношение  слишком мало и распределение с такими параметрами необходимо рассматривать как усеченно-нормальное. Величина в этом случаи находится из соотношения:

;

где ;

.

Отсюда Z=-1,399, а  ч.

Для анализа надежности можно принять допустимую вероятность отказа , а вероятность безотказной работы  и, соответственно, . В этом случае величина  должна быть не менее одного часа. Для нашего случая  часа.

Таким образом, гамма-процентная наработка торцевого уплотнения удовлетворяет требованиям надежности.

2.3 Исследование причин повышенного износа деталей масляного уплотнения нагнетателя НЦ-16

Объектом исследования было выбрано масляное уплотнение нагнетателя вала, а именно повышенный износ втулки и колец уплотнения. Уплотнение было выбрано потому, что данная неисправность приводит к повышенному расходу масла через уплотнения, снижения перепада давления «масло-газ» менее чем 0,2 кг/см², а следовательно и к аварийному останову газоперекачивающего агрегата.

2.4 Предварительное ознакомление с объектом исследования

При эксплуатации Нагнетателя НЦ - 16 неоднократно отмечались случаи уменьшения перепада давления «масло-газ» меньше допустимого 0,2 кг/см². После разборки масляного уплотнения был обнаружен повышенный износ внутреннего, внешнего уплотнительных колец и колодок уплотнения. Также повышенный износ, но при больших наработках, наблюдается на втулке уплотнений, расположенной на валу.

2.5 Анализ внешнего состояния

При осмотре деталей уплотнения на втулке, расположенной на валу, были обнаружены места, контактирующие с кольцами, с повышенным износом внешней поверхности. Так же повышенный износ был обнаружен на баббитовой заливке колец уплотнения.

На основании данных, полученных при предварительном ознакомлении и анализа внешнего состояния уплотнения, можно сделать вывод, что причиной его разрушения может быть смещение ротора при износе подшипников вала, колебаниях вала.

.6 Анализ условий эксплуатации

В процессе работы нагнетателя при перемещениях вала в масляных щелевых уплотнениях в пределах допусков возникают гидромеханические силы, действующие на плавающие кольца. При возникновении этих сил кольца могут перемещаться, что приводит к контакту колец свалом, а, следовательно, и повышенный износ вала и баббитовой заливки колец.

Перемещения вала возникают при износе баббитовой заливки колодок опорных подшипников и допустимой вибрации вала.

Допустимый износ подшипника - 0,24 мм (по диаметру).

Допустимые виброперемещения вала - 60 мкм.

Давление масла P_s=5,37 МПа, P_a1=5,17 МПа, P_a2=0,102 МПа.

Частота вращения вала ω=80 с^-1.

Масса колец m=10 кг.

Применяемое масло ТП - 22 (ГОСТ 9972 - 74).

Вязкость масла при Т=50ºС: динамическая - 22 сСт, кинематическая - 19,8·10^-3 Н·с/м².

3. Выбор расчетной схемы и поверочный расчет

Для предотвращения нерасчетных режимов работы уплотнений с плавающим кольцом необходимо выполнение ряда условий.

Условие самоцентрирования плавающего кольца. При выполнении условия самоцентрирования реализуется основное достоинство данного уплотнения - бесконтактный режим работы радиальной щели. В наиболее неблагоприятном случае, когда смещение вала относительно корпусных деталей противоположно направлению силы тяжести (рис. 14), - это условие имеет вид

,

где Р_n - нормальная составляющая гидромеханической силы в радиальной щели, т.е. сила, действующая по линии центров кольца и вала; F_тр - сила трения в торцевом стыке; К₀ - жесткость упругой подвески плавающего кольца; m_k - масса кольца; е_в - смещение центра вала от положения, соосного с корпусными деталями уплотнения.

Силу P_n вычисляют для максимального смещения кольца относительно вала e_max, рассчитываемого по формуле

,

где с=1,2…1,5 - коэффициент; Ra_в, Ra_к - параметры шероховатости поверхностей вала и кольца; Δ_в, Δ_к - отклонения от округлости этих поверхностей.

Расчет гидромеханических сил. При течении жидкости в щели создаются радиальные гидростатические и гидромеханические силы. Возникновение гидромеханических сил связано с вязкостью жидкости и движением уплотнительных поверхностей. Гидростатические силы вызваны перепадом давлений и появляются вследствие неодинаковых местных потерь давления. Для щелей с малым эксцентриситетом гидростатические силы рассчитываются по формулам, приведенных в [5]:

;

,

где ε=е/h₀, ξ1_, ξ₂, α - коэффициенты, учитывающие режим течения жидкости в щели.

Коэффициент α рассчитывают по формуле

,

где λ₀ - коэффициент сопротивления трению.

Для ламинарного режима ξ₁=4,8; ξ₂=12; λ₀=96Re_z^-1; для турбулентного режима ξ₁=1,68; ξ₂=0,0384Re_z^0,76; λ₀=0,307Re_z^-0,24. Здесь Re_z=2h₀υ_z/ν (ν - кинематическая вязкость); υ_z - средняя осевая скорость в концентричной щели, определяется без учета входных потерь:

.

Для ламинарного режима формулы принимают вид

;

.

Расчет силы трения в торцевом стыке. Силу трения рассчитывают по формуле

,

где f - коэффициент трения; F_z - нормальная реакция торцевого стыка.

Реакция торцевого поверхности F_z зависит от осевой нагрузки торцевого стыка и распределения гидравлического давления в нем. Давление среды в стыке определяется формой торцевого зазора. В общем случае F_z рассчитывают по формуле

,

Для плавающих колец, работающих при граничном или жидкостной смазке 0<k_p<1.

Подставляя в приведенные выше формулы, получаем.

м.

Для внутреннего кольца:

м/с,

,

что меньше критического числа Рейнольдца, поток ламинарный.

ε=5,8·10^-5/0,85·10^-4=0,682

Н.

Для внешнего кольца:

,

,

что меньше критического числа Рейнольдца, поток ламинарный.

Н.

Н.

Нормальная реакция торцевого стыка для внутреннего кольца:

k_г=8,745·10^-3/7,646·10^-3=1,144, k_p=0,7

Н.

Нормальная реакция торцевого стыка для внешнего кольца:

k_г=13796·10^-3/5947·10^-3=2,32, k_p=0,7

Н.

Н.

Н.

Масса внутреннего и внешнего колец составляет 10 кг. Жесткость упругой подвески (масляного слоя) К₀=5,48 Н/м.

,

условие самоцентрирования плавающего кольца выполняется.

Динамический расчет уплотнения с плавающим кольцом. В работающей машине вследствие вибрации равновесие уплотнения может быть нарушено. В результате возможны контакты и изнашивание уплотнительных поверхностей, обусловленные самовозбуждающимися или вынужденными колебаниями. Представляет интерес определение условий, при которых после прекращения действия даже малых возмущающих сил плавающее кольцо возвращается в равновесное положение.

Бесконтактная работа уплотнения обеспечивается при условии, что максимальное значение суммы динамического перемещения кольца и его статического смещения относительно вала не превышает предельного значения e_max. Условие бесконтактной работы плавающего кольца имеет вид

,

где |U| - амплитуда вынужденных колебаний плавающего кольца;

n=1,5 - коэффициент запаса.

,

где В, К - коэффициенты демпфирования и жесткости жидкостного слоя;

,

r_ср=0,093 м - средний радиус торцового стыка, b_y=0,022 м - длина пояска стыка, h=1·10^-5м - высота жидкостного слоя, μ=1,98·10^-3 кгс·с/м² - динамическая вязкость масла;

,

ω=80 с^-1 - частота вращения вала;

,

h₀=0,85·10^-4 м - толщина масляного слоя в щели, r=0,0795 м - радиус масляного кольца, l_y=0,076 м - длина масляного кольца;

К₀=5,48 Н/м, К_n=25,13 Н/м;

А_в - допустимая амплитуда колебаний вала нагнетателя.

Н·с/м;

Н·с/м;

Н/м;

.

Зависимости амплитуды вынужденных колебаний кольца |U| от колебаний вала А_в (рис. 16), Эта зависимость линейна.

Из графика видно что при допустимой амплитуде вала 60 мкм амплитуда кольца превышает допустимое значение e_max/n=5,8·10^-5/1,5=3,87·10^-5м, а это значит что условие бесконтактной работы уплотнения не выполняется.

Данное условие будет выполняться при амплитудах работы вала не превышающих значения м.

В результате радиальных биений вала изменяется толщина масляного слоя в щели. Это создает периодические силы, перемещающие кольцо относительно вала в радиальном направлении. При больших биениях вала плавающее кольцо может входить в контакт с валом, вследствие чего происходит изнашивание соприкасающихся деталей уплотнения. Для избежания контакта вала с плавающим кольцом необходимо уменьшить допустимую величину амплитуды виброперемещения вала до величины 45,3 мкм.

3.1 Разработка мероприятия по повышению надежности

Для предотвращения неисправности, описанной выше предлагается заменить масляное щелевое уплотнение на «сухое» торцевое бесконтактное уплотнение фирмы «Jon Grain». Данное уплотнение имеет межремонтный ресурс, превышающий назначенный ресурс нагнетателя. Также данное уплотнение может работать в больших диапазонах перемещения и перекоса вала. При установке замене уплотнений исчезнет потребность в маслосистеме уплотнений с высоким давлением, но возникнет потребность в системе подачи отчищенного газа и буферного газа (воздуха). Замена уплотнений может производиться как на ремонтных предприятиях, так и непосредственно на эксплуатации нагнетателей.

3.2 Анализ ремонтной технологичности нагнетателя НЦ-16

Анализ ремонтной технологичности носит качественный и количественный характер.

3.3 Качественный анализ ремонтной технологичности

Качественный анализ ремонтной технологичности проводится путем сопоставления реальных свойств объекта с рядом специфических требований к ремонтной технологичности объекта. Технические требования к обеспечению ремонтной технологичности приведены в /2/.

Результаты качественного анализа ремонтной технологичности представлены в виде таблицы 5.

Таблица 5 - Результаты качественного анализа ремонтной технологичности нагнетателя НЦ - 16

. Расчет коэффициента соответствия требованиям эксплуатационной технологичности производится по следующей формуле:

где N_СТ - количество требований, которым должен соответствовать объект анализа,

N_НСТ - количество параметров, по которым объект анализа соответствует требованиям.

%.

Конструкция нагнетателя НЦ - 16 соответствует требованиям эксплуатационной технологичности на 64%.

. Количественный анализ будет проводиться для операции установка уплотнений нагнетателя.

При проведении качественного анализа эксплуатационной технологичности были выявлены недостатки конструкции нагнетателя, вследствие чего предлагаются следующие мероприятия по их устранению:

следует попытаться заменить соединения с контровкой на сомоконтрящиеся;

пересмотреть конструкцию нагнетателя с точки зрения удобной постановки уплотнений вала;

оборудовать нагнетатель устройством, регистрирующим наработку с учетом фактических нагрузок (в нынешних условиях развития вычислительной техники считаю рациональным оборудовать нагнетатель ЭВМ для учета и обработки параметров двигателя во времени и последующей выдачи ее в графическом или текстовом виде на устройства вывода информации).

3.4 Количественный анализ ремонтной технологичности конструкции нагнетателя НЦ-16

Объектом количественного анализа ремонтной технологичности выбирается масляное уплотнение нагнетателя, так как данный узел не отрабатывает свой назначенный ресурс (35000 часов) и подлежит замене в процессе эксплуатации.

Количественный анализ ремонтной технологичности постановки масляного уплотнения проводим путем получения значений единичных показателей. Расчет единичных показателей производится на основании данных хронометража работ по сборке масляного уплотнения. Данные по хронометражу работ приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Данные хронометража работ по сборке масляного уплотнения нагнетателя

Под легкосъемностью понимается приспособленность уплотнения к замене комплектующих изделий при минимальном объеме дополнительных операций. Легкосъемность характеризуется показателем легкосъемности К_л:

,

где Т_доп - доля дополнительных работ, (чел.-ч),

Т_зам - общий объем работ по замене, (чел.-ч).

Взаимозаменяемость характеризуется показателем взаимозаменяемости К_в, который определяет долю работ по подгонке размеров устанавливаемых деталей Т_под (чел.-ч.) в общей трудоемкости операций Т_общ.

,

где Т_под - доля работ по подгонке работ, (чел.-ч),

Т_общ - общая трудоемкость операции, (чел.-ч).

Под удобством работ понимается приспособленность масляного уплотнения к выполнению работ в удобной для исполнителя позе. В зависимости от вынужденной позы, принимаемой исполнителем во время работы, требуется различное время для выполнения одной и той же операции, т.е. имеет место различная производительность труда.

Удобство работ характеризуется показателем К_уд, который определяет долю работ, выполняемых в неудобной позе åt_НП (ч), в общем объеме работ åt_i (ч).

;

,

где S t_НП - время выполнения работ в неудобной позе, ч;

S t_i - общее время работ, ч;

k_ПТ - коэффициент снижения производительности труда.

Стоя, руки горизонтально - k_ПТ=0.

Произведем расчет, подставляя значения в соответствующие формулы.

Номера дополнительных работ: 1, 2, 7, 11, 20;

Номера монтажно-демонтажных работ: 6, 8, 10, 12, 14, 15, 16, 18, 19.

, ч;

;

;

.

Рассчитываются оценочные показатели ремонтной технологичности:

,

где  реальное и  нормативное значения показателей.

Если <1, принимается решение о необходимости совершенствования конструкции нагнетателя.

Если отсутствуют нормативные значения показателей, то реальное значение показателей сравнивают с величиной 0,9.

Из количественного анализа ремонтной технологичности следует, что конструкция нагнетателя имеет следующие показатели:

К_Л=0,76<0,9;

К_В=1>0,9;

К_уд=1>0,9.

Показатель легкосъемности не удовлетворяет нормативному значению. Предлагается усовершенствовать конструкцию нагнетателя, а именно масляных уплотнений, путем объединения сборочных единиц, запрессовываемых в крышку нагнетателя, что приведет к сокращению времени на дополнительные работы по установке и снятию приспособлений.

Список источников

нагнетатель неисправность надежность изделие

1.   Совершенствование технологического процесса обслуживания, ремонта и испытания авиационной техники: Методическое указание по дипломному проектированию/СГАУ; составитель И.М. Макаровский. Самара, 2001-16 с.

2.      Техническое обслуживание и ремонт авиационной техники: Методические указания по курсовому проектированию/ СГАУ; составитель И.М. Макаровский. Самара, 1994 - 20 с.

.        Исследование причин появления неисправностей авиационной техники: Методическое указание к курсовому и дипломному проектированию/СГАУ; составители Н.Н. Игонин, Г.А. Новиков. И.Г. Старостин. Куйбышев, 1984-29 с.