КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-79-00289
НазваниеМеханизмы формирования и способы реализации статического и динамического снижения вязкого трения в активных жидкостных опорах роторов
РуководительШутин Денис Владимирович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева", Орловская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-102 - Механика технологических процессов
Ключевые словаАктивные опоры жидкостного трения, триботроника, вязкое трение, энергоэффективность, гидродинамическая смазка, роторные машины, динамика роторов, системы управления, машинное обучение
Код ГРНТИ55.03.33
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В рамках концепции Индустрии 4.0 информационные, интеллектуальные и управляющие технологии внедряются в большинство узлов и систем современных машин. Возможность управления свойствами отдельных узлов, традиционно имевших пассивную конструкцию, открывает возможности для реализации новых функциональных возможностей. В роторных машинах критическими элементами являются опорные узлы, в них концентрируются энергетические и информационные потоки всей роторно-опорной системы, и интеграция в них средств управления позволяет в наибольшей степени оказывать влияние на рабочие характеристики агрегата. Изменение характера сдвигово-напорных течений в смазочном слое активных подшипников жидкостного трения может достигаться применением активной смазочной системы, активных подвижных элементов опорной поверхности, и приводит к изменению интегральных, динамических и трибологических свойств опорных узлов. Это дает возможность проектировать активные опоры с расширенными диапазонами устойчивой работы, увеличенным ресурсом и минимизированными потерями энергии на вязкое трение в смазочном слое. Таким образом, формируется отдельный класс триботронных опорных узлов (ТОУ), для которых вопросы комплексного достижения динамической устойчивости, длительного ресурса и энергетической эффективности практически не исследованы. Сложный характер взаимосвязей между протекающими в ТОУ процессами требует при активном изменении отдельных параметров опоры учитывать также сопутствующие изменения прочих их параметров и характеристик. Поскольку в активных опорах жидкостного трения трибологические, динамические и теплофизические параметры ранее практически не рассматривались во взаимосвязи, это и формирует проблематику их взаимного учета и рассмотрения ТОУ как комплексной триботронной системы.
Предшествующие исследования показывают принципиальную возможность снижения вязкого трения при движении ротора в смазочном слое активного подшипника жидкостного трения как в динамическом (снижение диссипации энергии в ходе вибрационных процессов), так и в статическом (оптимизация распределения сдвиговых напряжений в смазочном слое при установившемся состоянии системы) режимах. Однако остаются невыясненными пределы повышения энергоэффективности таких систем в зависимости от конструктивных параметров активных роторно-опорных систем, не ясны ограничения, которые неизбежно возникают в управляемых ТОУ ввиду выраженной взаимосвязи между их отдельными параметрами и характеристиками. Восполнение такого пробела в научно-техническом знании требует выявления и описания ключевых взаимосвязей между параметрами ТОУ на основе расчетно-методического аппарата, на создание которого направлен проект.
В исследовании будут впервые рассмотрены механизмы статического управления параметрами вязкого трения в триботронных опорных узлах (ТОУ) во взаимосвязи с прочими ключевыми процессами в таких роторно-опорных системах. Проект позволит выявить характер влияния рассматриваемых процессов управления трением на прочие энергетические, динамические и интегральные характеристики активных подшипников жидкостного трения (АПЖТ) с учетом вариабельности их управляемых параметров, а также сопоставить их с ключевыми параметрами движения ротора в ТОУ, в первую очередь касающихся устойчивости такого движения. Будут выявлены накладываемые на режимы работы таких систем ограничения и сформирован новый, обобщенный подход к решению задач по минимизации вязкого трения в ТОУ на основе анализа и модификации распределенных параметров (поля давлений, скоростей) смазочной пленки подшипника системой управления.
Применение триботронного подхода к вопросам исследования и проектирования активных опор жидкостного трения подразумевает, таким образом, позволит рассматривать и определять закономерности функционирования более широкого спектра процессов в опорных узлах, нежели рассматривает классический подход к рассмотрению опор жидкостного трения. Выявленные закономерности совместного протекания таких процессов создадут научную базу для создания адекватных расчетных моделей и их дальнейшего применения в ходе проектирования активных опорных узлов роторных машин новых поколений.
Ожидаемые результаты
В проекте формируется новый расчетно-методический аппарат для решения задач комплексного управления энергетическими, динамическими и интегральными характеристиками в триботронных опорных узлах нового поколения на базе активных подшипников жидкостного трения. Исследование позволит сформировать новый, обобщенный подход к решению задач по минимизации вязкого трения в ТОУ на основе анализа и модификации распределенных параметров (поля давлений, скоростей) смазочной пленки активного подшипника жидкостного трения (АПЖТ). В ходе реализации проекта будут описаны основополагающие закономерности, определяющие механизмы статического и динамического снижения вязкого трения в АПЖТ, влияние соответствующих процессов управления трением на прочие энергетические, динамические и интегральные характеристики таких опор. Будут выявлены накладываемые на режимы работы таких систем ограничения, связанные с активным воздействием на параметры смазочного слоя в условиях сложных взаимосвязей между параметрами роторных систем с АПЖТ. На основе полученных зависимостей будут сформированы критерии к управляющим алгоритмам ТОУ, которые должны будут помимо комплексной минимизации энергопотерь на вязкое трение в опорных узлах также обеспечить устойчивые режимы движения ротора во всем диапазоне рабочих характеристик роторной машины с ТОУ. Комплексным научным результатом исследования станет методика синтеза систем управления в триботронных опорах для снижения вязкого трения, с описанием способов применения разработанных методов, алгоритмов, границах применимости и направлениях дальнейшего совершенствования на основании выявленных закономерностей протекания ключевых процессов в ТОУ.
Полученные результаты позволят формировать практические методы совместного учета разнородных физических факторов в ТОУ в процессе управления, выбирать и реализовывать наиболее эффективные стратегии и методы управления свойствами опорных узлов, улучшая характеристики и расширяя диапазоны эффективного функционирования роторных агрегатов, избегая негативного влияния на прочие связанные с ними параметры опорных узлов (грузоподъемность, ресурс, динамические параметры). Результаты проекта позволят, с одной стороны, углубить понимание общей картины гидродинамических и теплофизических процессов и явлений в опорах жидкостного трения, а с другой – обеспечить в целом более высокий уровень решения задач триботроники и гидродинамики в современном технологическом оборудовании.
Предлагаемое исследование соответствует мировому уровню развития инженерных наук в области динамики роторных систем с активными опорами жидкостного трения, гидродинамической теории смазки. Результаты проекта позволят расширить взгляд на функциональные возможности опор жидкостного трения в составе роторных машин и агрегатов как с теоретической, так и с прикладной точки зрения. Будет создана методическая и расчетная база для практической разработки триботронных опорных узлов роторных машин новых поколений. Применение результатов проекта позволит в целом повысить стандарты в показателях энергоэффективности и надежности роторных агрегатов на опорах жидкостного трения.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект направлен на подготовку теоретической и методологической базы для совершенствования трибологических свойств роторных систем с регулируемыми опорами жидкостного трения. Работы первого этапа 2022-2023 года направлены на выявление фундаментальных физических основ реализации эффектов статической и динамической минимизации вязкого трения в активных подшипниках жидкостного трения (АПЖТ) и на установление их ключевых взаимосвязей с конструктивными и рабочими параметрами роторно-опорных систем. Статический вариант эффекта снижения вязкого трения в АПЖТ связан с оптимизацией трибологического состояния АПЖТ в условиях установившегося положения вала в опоре, а динамический вариант – с применением систем активного виброгашения в роторных системах. Разработанная на основе комплекса численных и физических экспериментов концептуальная модель связывает величину вязкого трения, препятствующего вращению ротора в подшипнике жидкостного трения, с конфигурацией сдвигово-напорных течений смазочного слоя, на которую осуществляется воздействие через актуаторы активных подшипниковых узлов. Таким образом, момент сопротивления вращению ротора, обусловленный вязким трением в смазочном слое, начинает выступать в качестве регулируемого, либо, по крайней мере, контролируемого параметра.
Основным расчетным инструментарием для проведения теоретического и численного исследования стала разработанная математическая модель роторной системы на АПЖТ. Модель базируется на численном решении уравнений гидродинамики, в первую очередь обобщенного уравнения Рейнольдса, и позволяет рассчитывать комплекс распределенных и интегральных параметров смазочного слоя АПЖТ (поля давлений, зазоров, напряжений, силы, момент трения, динамические характеристики и т.д.). С моделью смазочного слоя сопряжена модель движения ротора на основе численного решения уравнений Лагранжа, и модель системы управления параметрами опорного узла.
В качестве базового объекта в исследовании рассмотрен радиальный АПЖТ с активной смазкой, где позиционирование ротора обеспечивается регулируемыми параметрами подачи смазочного материала в зону трения. Экспериментальный образец такого АПЖТ реализован в составе экспериментального стенда с мультисенсорной информационно-измерительной системой. Созданная и налаженная конфигурация стенда позволила измерять комплекс параметров роторо-опорной системы, включая прямые и косвенные измерения момента сопротивления вращению вала. Данные физических экспериментов о параметрах трения, движения ротора и расхода смазочного материала в АПЖТ использовались для верификации разработанных математических и программных имитационных моделей.
По итогам проведения серии вычислительных экспериментов с использованием верифицированной модели роторной системы с АПЖТ был выявлен рад ключевых закономерностей, связанных с эффектами статического и динамического снижения вязкого трения в смазочном слое. Было установлено, что реализация обоих эффектов базируется на оптимизации соотношения распределенных геометрических и силовых параметров течения смазочного материала в смазочной пленке АПЖТ. Это приводит к оптимизации распределения сдвигово-напорных напряжений в течении смазочного материала, что выражается в снижении момента сопротивления вращению вала. Ключевая роль здесь принадлежит распределению напряжений, вызванных градиентом давления в смазочной пленке. Оно зависит от комплекса конструктивных и рабочих параметров роторно-опорной системы, в том числе от тех, на которые может воздействовать система управления АПЖТ. Таким образом, реализация эффектов обусловлена регулированием параметров работы подшипника. Определено, что описанный механизм лежит в основе как статического, так и динамического вариантов эффекта, хотя во втором случае дополнительно требуется учет эффекта вязкого трения от сдавливания смазочной пленки при значительной вибронагруженности роторно-опорной системы. В целом же, как показали результаты, зависимость «вязкое трение-положение вала» можно рассматривать в качестве функционала, связывающего режимы работы роторно-опорной системы с параметрами вязкого трения в активно смазываемой опоре.
В общем случае, комплексным критерием минимизации вязкого трения в радиальных опорах жидкостного трения можно рассматривать расположение зон(ы) наибольшего двунаправленного изменения давления в смазочной пленке в диффузорной(ых) области(ях) зазора подшипника. В таком случае, из-за большей локальной толщины смазочной пленки, напорные напряжения, направленные противоположно сдвиговым, оказывают больший вклад в результирующий момент трения, нежели со-направленные. За счет этого в целом снижается момент сопротивления вращению вала в условиях ламинарного течения смазочного материала.
Такие оптимальные состояния в целом тяготеют к более центрированному расположению вала в АПЖТ, что потребовало дополнительно оценить динамическое поведение роторно-опорной системы с учетом различных подходов к управлению в ней. Проведенные тесты показали, что в случае следящего управления за счет управляющих воздействий система остается стабильной без заметного снижения запаса устойчивости. При этом потенциал снижения вязкого трения может быть использован наиболее полно. При упрощенном статическом позиционировании ротора в области минимального трения в АПЖТ, поведение ротора также остается в целом устойчивым, однако амплитуды колебаний склонны увеличиваться по сравнению с неуправляемыми опорами. Это также сопровождается повышением вязкого трения ввиду удаления от зоны оптимума, что ограничивает применимость упрощенного подхода.
Исследование позволило установить, что выраженность эффектов снижения вязкого трения зависит от ряда сопутствующих параметров роторно-опорной системы, как конструктивных, так и рабочих (число Зоммерфельда, реологические свойства смазочного материала, скорость вращения вала). Для АПЖТ с круглым профилем, согласно расчетам, достижимо снижение вязкого трения в 2-3 раза относительно неуправляемых подшипников. Более сложные варианты профиля, например многоклиновые подшипники, при условии оптимизации их конструкции под реализацию рассматриваемых эффектов, способны демонстрировать еще в несколько раз более высокие показатели в этом отношении. Также, помимо снижения затрат энергии непосредственно на преодоление вязкого трения при реализации рассмотренных подходов, был выявлен сопутствующий эффект в виде снижения расхода смазочного материала через подшипник, и, следователь, затрат энергии на его прокачку.
Полученные теоретические результаты позволили сформулировать ключевые положения подхода к реализации управления в АПЖТ с зональной коррекцией распределенных параметров потока с целью минимизации вязкого трения в смазочном слое. Он подразумевает применение модельно-ориентированного подхода в управлении в сочетании с методами и алгоритмами оптимального управления и с учетом выявленных закономерностях формирования эффекта снижения вязкого трения в АПЖТ.
По итогам выполнения этапа издано (либо принято в печать) 3 научных публикации, из которых 2 изданиях индексируемых Scopus, включая высокорейтинговый журнал Q2, 1 – в журнале из перечня ВАК. Результаты представлены на 1 международной научной конференции. Для охраны интеллектуальных прав было получено 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ. Полученные на этапе 2022-2023 года результаты являются базой для решения задач, запланированных на последующий этап 2023-2024 года.
Публикации
1. Шутин Д.В. Static reduction of viscous friction and stability of rotor motion in actively lubricated fluid film bearings AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2023)
2. Шутин Д.В., Казаков Ю.Н. Theoretical and Numerical Investigation of Reduction of Viscous Friction in Circular and Non-Circular Journal Bearings Using Active Lubrication Lubricants, №11(5), статья 218 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/lubricants11050218
3. Шутин Д.В., Настепанин К.К. Управление сервоклапанами для реализации активной смазки гидростатодинамических подшипников Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, - (год публикации - 2023)
4. Шутин Д.В. Программа моделирования динамических и трибологических процессов в активных подшипниках скольжения с различными профилями несущей поверхности -, 2023617319 (год публикации - )
5. Шутин Д.В., Казаков Ю.Н. Программа обработки данных эксперимента по исследованию трения в подшипниках скольжения -, 2023617440 (год публикации - )