30588

اثر عيوب هندسي بر رفتار مكانيكي سيستم ژورنال و ياتاقان چندكفشكي

دكتري

مهندسي مكانيك

1396

1402/10/18

دكتر حميد احمديان، دكتر مير سعيد صفي زاده

مهندسي مكانيك

سيستم‌هاي دوار كه در سرعت بالا كار مي‌كنند، بخش حياتي صنايع بسياري هستند و نگهداري و عيب‌يابي اين سيستم‌ها از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. از اين ميان سيستم‌هاي روتور-ياتاقان چند كفشكي به دليل پايداري بالاتر در سرعت‌هاي بالا موردتوجه هستند. در اين سيستم‌ها، برخورد ميان روتور و ياتاقان تحت تأثير عوامل خاصي مانند نابالانسي جرمي روتور، كم بودن ضخامت فيلم روغن در سرعت‌هاي پايين روتور و ارتعاشات غيرخطي ايجادشده توسط فيلم روغن مي‌تواند رخ دهد. برخورد ميان روتور و ياتاقان باعث تراشيده شدن بابيت ياتاقان و تغيير شكل‌هاي هندسي بسيار كوچك در ياتاقان مي‌گردد كه رصد كردن آن در مراحل اوليه و قبل از ايجاد خرابي‌هاي بزرگ‌تر در سيستم بسيار حياتي است. در اين پژوهش، اثر عيوب هندسي ايجادشده ناشي از سايش ميان روتور و ياتاقان چند كفشكي شبيه‌سازي‌شده است و اثر آن بر رفتار حرارتي و ديناميكي سيستم مورد مطالعه قرارگرفته است. علاوه بر اين، اثر وجود رد سايش ايجاد شده روي ياتاقان، برشدت و ميزان تماس ميان روتور و ياتاقان موردبررسي قرارگرفته است. نوآوري اين پژوهش در ارائه يك مدل جديد از روتور انعطاف‌پذير-ياتاقان چند كفشكي است كه رفتار ديناميكي و حرارتي سيستم روتور-ياتاقان چند كفشكي داراي عيوب هندسي ناشي از سايش و همچنين شدت برخورد ميان ژورنال و ياتاقان را شبيه‌سازي مي‌كند. در اين مدل، معادله رينولدز براي به دست آوردن اثر فيلم روغن حل‌شده است و جهت مدل‌سازي برخورد ميان ژورنال و ياتاقان، اثر زبري سطح آن‌ها بر جريان فيلم روغن و فشار ناشي از برخورد جامد به جامد ميان ژورنال و ياتاقان در نظر گرفته‌شده است. همچنين جهت به دست آوردن توزيع دما و فيلم روغن و كفشك‌هاي داراي عيوب هندسي، معادلات انرژي و رسانش حرارتي به‌صورت عددي حل‌شده و انتقال حرارت جابجايي ميان كفشك و فيلم روغن و محيط اطراف در نظر گرفته‌شده است. مدل ارائه‌شده با نتايج عددي و تجربي ارائه‌شده در پژوهش‌هاي قبلي راستي آزمايي شده است. بر اساس نتايج به‌دست‌آمده از اين مدل، اثر عيوب هندسي ناشي از سايش در ياتاقان چند كفشكي بر توزيع دماي كفشك‌ها، ديناميك سيستم و رفتار ارتعاشي آن بررسي‌شده است و مشاهده شد كه افزايش رد سايش با عمق حداكثر 20 درصد لقي، باعث تا بيش از 15 درصد افزايش دماي كفشك‌هاي تحت بار در نزديكي لبه انتهايي آن‌ها مي‌گردد. همچنين اين ميزان افزايش رد سايش باعث افزايش اندازه برخي مؤلفه‌هاي ارتعاشي خاص سيستم مي‌شود. براي مثال با اين ميزان رد سايش، مؤلفه ارتعاشي 1X تا 10 درصد افزايش اندازه تجربه مي‌كند. براين اساس شاخص‌هاي حرارتي و ديناميكي براي بررسي سلامت ياتاقان‌هاي چند كفشكي پيشنهادشده است. همچنين مشاهده شد كه وجود عيوب هندسي ناشي از سايش باعث بدتر شدن رفتار ديناميكي ژورنال-ياتاقان چندكفشكي و افزايش برخورد ميان ژورنال و ياتاقان در دور كاري و دورهاي پايين‌تر مي‌شود. از نتايج اين پژوهش براي رصد كردن سايش و برخورد ميان ژورنال و ياتاقان و تشخيص وجود رد سايش در مراحل اوليه آن در سيستم‌هاي ژورنال-ياتاقان چند كفشكي مي‌توان استفاده كرد.

1402/12/15

The Effect of Geometrical Imperfections on the Mechanical Behavior of a Tilting Pad Journal Bearing System

1/1/1900 12:00:00 AM

High-speed rotating systems are important parts of many industries, and the maintenance and troubleshooting of these systems are of particular importance. Among these, tilting pad journal bearing systems are of interest due to their higher stability at high speeds. In these systems, contact between the rotor and the bearing can occur due to specific factors such as rotor mass imbalance, the low thickness of the oil film at low rotor speeds, and nonlinear vibrations caused by the oil film. The contact between the rotor and the bearing can cause the babbit of the bearing being removed and leads very small geometric imperfections in the bearing, which is crucial to monitor at early stages before larger damages occur in the system. This research has simulated the effect of geometric imperfections caused by wear between the rotor and the tilting pad journal bearing and studied its impact on the thermal and dynamic behavior of the system. Furthermore, the effect of the presence of wear signature on the bearing on the intensity and amount of contact between the rotor and the bearing has been examined. The innovation of this research lies in presenting a new model of a flexible rotor-tilting pad journal bearing system that simulates the dynamic and thermal behavior of the rotor-bearing system with geometric imperfections due to wear and also the intensity of contact between the journal and the bearing. In this model, the Reynolds equation has been solved to obtain the effect of the oil film, and the effect of surface roughness on the oil film flow and the pressure resulting from solid-to-solid contact between the journal and the bearing has been considered. Also, to obtain the temperature distribution of the oil film and the pads with geometric imperfections, the energy and thermal conduction equations have been solved numerically, and the convection heat transfer between the pad, oil film, and surrounding environment has been considered. The presented model has been validated with numerical and experimental results presented in previous research. Based on the results of this model, the effect of geometric imperfections due to wear in the tilting pad journal bearing on the temperature distribution of the pads, the system dynamics, and its dynamic behavior has been examined. It is observed that an increase in wear severity with a maximum depth of 20% of the bearing clearance, can cause more than a 15% increase in the temperature of the loaded pads near their trailing edges. Also, this increase in wear depth causes an increase in the size of specific vibration signal components of the system. For example, with this level of wear depth, the 1X vibration signal component experiences up to a 10% increase in size. Based on this, thermal and dynamic indices have been suggested for examining the health of tilting pad journal bearings. It is also observed that the presence of geometric imperfections due to wear worsens the dynamic behavior of the tilting pad journal-bearing system and increases contacts between the journal and the bearing at working speeds and lower speeds. The results of this research can be used to monitor wear and contacts between the journal and the bearing and to detect the presence of wear signature at early stages in tilting pad journal journal-bearing systems.

ديناميك ماشين‌هاي دوار , ياتاقان‌هاي چند كفشكي , سايش , روانكاري مخلوط

Dynamics of rotating machinery , Tilting pad journal bearings , Wear , Mixed lubrication

Ebrahim Tofighi niaki

Dr. Hamid Ahmadian, Dr. Mir Saeed Safizadeh