Расчёт нагрузки вращающегося вала

[whi-ru 0]

Доброго Всем времени суток! Вопрос к проффи в области CAE-систем, так как сам больше специализируюсь на CAD-системах. 

Есть следующая задача. Имеется устройство, у которого есть статор, ротор с валом, четыре луча х-образно расположенных на роторе, и есть два подшипника. Есть следующие исходные данные: материал, масса, центр тяжести вращающегося узла – ротор/вал/4 луча, и также известно количество оборотов в минуту. Вал вращается с постоянной скоростью. И вопрос, как, зная эти данные, можно смоделировать действующую нагрузку на два подшипника в Solidworks`е? Также необходимо запустить второй расчёт с 3-я лучами без 1 луча. И еще можно ли задать каким-то образом временные рамки чтобы понять срок службы? Имеется детальная сборка подшипника, если что.

Начал изучать Solidworks motion, но пока не ясно можно ли там произвести такие расчёты. 
 

 

 

Изменено 9 февраля 2021 пользователем whi-ru

[статист 609]

56 минут назад, Jesse сказал:

Да, должен быть подвох. Так бы не использовали конечно. Хотя про хрупкость пишут прямым текстом. Значит прикол в выносливости

Вон чего пишет Эшби о такой керамике

 

В общем происходит усталостное разрушение хрупкого материала, но трещинки настолько малы и эксплуатирующие нагрузки выбраны так, что эта трещина будет расти до критической при данных условиях эксплуатации n-лет даже при большом разбросе свойств. Все зависит от качества материала.

Вон пример для чугунины из той же книжки
 

Скрытый текст

 

 

 

 

[Jesse 963]

8 часов назад, статист сказал:

Вон чего пишет Эшби о такой керамик

Круто!) 

Значит, высокая вязкость разрушения и слишком большое число циклов/время для существенного роста трещины...

З.ы.: удивило, что керамиками называют и некремний содержащий материалы, в том числе алмаз

[whi-ru 0]

20 часов назад, Кварк сказал:

Каждая лопасть вязнет в воздухе, из-за чего имеем момент сопротивления. За счет симметрии, приведенные, - от каждой лопасти, - к оси силы уравновешиваются взаимно. Если симметрия нарушится, то получим дополнительную радиальную силу на п/ш. 

Вот собственно и вопрос, по какой формуле или каким образом можно посчитать эту дополнительную радиальную силу при дисбалансе центра масса без одной лопасти (?)

Радиальная нагрузка на подшипники относительно небольшая ≈ 7,5 Н. Но как только устройство крутиться без одной  лопасти, возникают такие эквивалентные динамические нагрузки, что номинальный ресурс подшипника сокращается до 3 месяцев, это всё равно что в эквиваленте на подшипник действует нагрузка 190 Н с постоянной скоростью 24/7 

Изменено 11 февраля 2021 пользователем whi-ru

[Кварк 126]

Я считаю в солидворк флоу симулейшн. Мне требуется расчёт внутренней задачи. Но там есть и расчёт внешней задачи, в котором у меня опыта нет. Но, думаю, что можно там будет найти эту вращающуюся нагрузку. 

 

Так п/ш выходил из строя когда этот пропеллер на 3 лопостях работал? 

 

 

 

И дело уже не только в дисбалансе. 

Нужно задавать среду с определённой вязкостью и учитывать её влияние. Но это только как предположение, при условии, что п/ш ломается именно при такой работе (3 лопасти) . Возможно, что в таком случае и самого дисбаланс хватает для поломки, крутись он хоть в безвоздушной среде. 

Изменено 11 февраля 2021 пользователем Кварк

[whi-ru 0]

16 минут назад, Кварк сказал:

Я считаю в солидворк флоу симулейшн. Мне требуется расчёт внутренней задачи. Но там есть и расчёт внешней задачи, в котором у меня опыта нет. Но, думаю, что можно там будет найти эту вращающуюся нагрузку. 

Это интересный вопрос, можно ли посчитать в Flow simulation эквивалентную динамическую нагрузку вызванную вращением ротора без одной лопасти (?) т.к. FLow Sim больше про гидра-газодинамику и теплообмен, но всё возможно... попробую посмотреть в сторону Flow sim

 

16 минут назад, Кварк сказал:

Так п/ш выходил из строя когда этот пропеллер на 3 лопостях работал? 

можно сказать и так

Изменено 11 февраля 2021 пользователем whi-ru

[Кварк 126]

Во внутренней задаче я ищу конструктивно исполнение, которое позволит уменьшить требуемую силу, для преодоления гидродинамических сил при перемещении в жидкости золотника. Т. к. по отношению к золотнику я решаю внешнею задачу. 

Смущает меня тут то, что нагрузка вращающая. Эту силу нужно будет из моментов выводить. Вот с этим не сталкивался. 

[статист 609]

6 часов назад, whi-ru сказал:

Вот собственно и вопрос, по какой формуле или каким образом можно посчитать эту дополнительную радиальную силу при дисбалансе центра масса без одной лопасти (?)

В одном каком нибудь направлении

F= m * r * omega^2 sin(omega* t)

где m - модальная масса детали,

r - радиус от оси вращения, где располагается дисбаланс,

omega - угловая скорость вращения.

 

6 часов назад, whi-ru сказал:

Это интересный вопрос, можно ли посчитать в Flow simulation эквивалентную динамическую нагрузку вызванную вращением ротора без одной лопасти (?)

в этом случае Flow точно не поможет =)

 

@whi-ru если не хотите считать ручками, можно попробовать так:

- находите центр масс вентилятора без одной лопасти, определили радиус от оси.

- Определяете амплитуду силы, приведенной выше.

- задаете подшипниковые опоры, заменяете вентилятор на удаленную массу. считаете модальный анализ. Получаете из него критическую частоту (1-я собст частота, смотреть в рад/с).

- дальше подставляете эти параметры вот в эту вот формулу, где вместо k/m у вас будет критическая частота в рад/с, omega - это реальная частота вращения вала. Вычисляете перемещения u.

 

- Дальше эти перемещения  u пробуете подобрать в статическом анализе со всеми подшипниками, прикладывая к валу с замененным на удаленную массу вентилятором различную угловую скорость (она не обязательно должна совпадать с реальной)

- Считаете, получаете напряжения на валу и реакции подшипников. Из реакций на подшипников высчитываете их долговечность.

 

Это примерный анализ и он, по идее должен прокатить из-за того, что у вас простой случай.

[whi-ru 0]

10 часов назад, статист сказал:

...пробуете подобрать в статическом анализе со всеми подшипниками... 

Благодарю вас за то что поделились информацией. Вот только статическое исследование, как я понимаю, не учитывает такого возникающего при смещении центробежного момента явления как "биение винта" – это как раз про мой случай с 3-я лопастями. 

"  Когда винт начинает вращаться на него начинает действовать сила сопротивления вращению, эта сила возникает на всех лопастях и создает тормозящий момент, который противоположен направлению вращения, и по сути получается борьба двух моментов: крутящего момента и тормозящего.  Если обороты винта сохраняются постоянными, то это говорит о том что два этих момента равны между собой, крутящий уравновешивается тормозящим.

 Если мы увеличиваем мощность двигателя, то увеличивается крутящий момент, обороты начинают расти, с ростом оборотов растет сила сопротивления, следовательно тормозящий момент тоже увеличивается, и как только он становится равным крутящему моменту и уравновешивает его, обороты снова становятся постоянными. Если же мы мощность двигателя уменьшаем то процесс происходит ровно наоборот." © Из учебных материалов про работу воздушного винта.

Как я понимаю, дело не только в центрах масс, но и в силе сопротивления которую создают лопасти. При вращении винтов когда винт сбалансирован крутящий момент уравновешивается тормозящим и обороты становятся постоянными, но в моем случае отсутствует одна лопасть – эти моменты не совпадают, из-за чего обороты становятся непостоянными и возникает эффект "стиральной машины". Либо можно провести аналогию с рычагом на конце ротора (когда устройство работает без 1 лопасти) – примерно то же самое в моем случае.

 

Изменено 12 февраля 2021 пользователем whi-ru

[статист 609]

5 часов назад, whi-ru сказал:

Благодарю вас за то что поделились информацией. Вот только статическое исследование, как я понимаю, не учитывает такого возникающего при смещении центробежного момента явления как "биение винта" – это как раз про мой случай с 3-я лопастями.

Вы специалист, Вам и разбираться куда двигаться.

 

5 часов назад, whi-ru сказал:

Как я понимаю, дело не только в центрах масс, но и в силе сопротивления которую создают лопасти. При вращении винтов когда винт сбалансирован крутящий момент уравновешивается тормозящим и обороты становятся постоянными, но в моем случае отсутствует одна лопасть – эти моменты не совпадают, из-за чего обороты становятся непостоянными и возникает эффект "стиральной машины". Либо можно провести аналогию с рычагом на конце ротора (когда устройство работает без 1 лопасти) – примерно то же самое в моем случае.

тут я Вам не помощник. Я не большой специалист в этой области. Но подозреваю, что то, что вы привели в цитате на вашу задачу не сильно влияет и не совсем то, что Вы имеете здесь ввиду.  В винте раскачка скорее всего вызывается срывами потоков с винта и акустикой. Но не думаю, что у в Вашем случае они вызывают существенный эффект.

Советую Вам еще немного изучить физику вопроса. Вот например хорошая статья со ссылками на другие источники.

A-Practical-Guide-to-Rotor-Dynamics.pdf

A-Practical-Guide-to-Rotor-Dynamics.pdf

[soklakov 1 477]

12.02.2021 в 11:29, whi-ru сказал:

Вот только статическое исследование, как я понимаю, не учитывает такого возникающего при смещении центробежного момента явления как "биение винта" – это как раз про мой случай с 3-я лопастями. 

Да зачем Вам эти биения)))

Нет одной лопасти? Определите центр масс лопасти, учтите скорость вращения и массу лопасти, вот Вам и сила дисбаланса из-за отсутсnвия лопасти. (f=m*v2/R=m*w2*R)

приложите ее в статике к винту на уровне лопасти, посмотрите усилия в подшипниках, да и НДС винта.

[whi-ru 0]

Согласен, в моем случае нужно было посчитать центростремительную силу и подставить в формулу расчета срока службы подшипника, что я и сделал.

Но мне все равно интересно, как можно посчитать нагрузки а точнее радиальные биения вала с помощью Motion. Что-то подсказывает что правильно заданные контактные условия и настройки  "результаты и эпюры" дадут нужный результат, так там есть эпюра "масса отраженной нагрузки". Пока я решил отложить эту задачу.
 

Изменено 2 марта 2021 пользователем whi-ru

[soklakov 1 477]

02.03.2021 в 12:30, whi-ru сказал:

Но мне все равно интересно, как можно посчитать нагрузки а точнее радиальные биения вала с помощью Motion.

моушн не умеет деформирование, только жесткие тела. а это без биений.

то есть вращение итоговой равнодействющий получить - получите. но вибрировать-то не будут жесткие тела

02.03.2021 в 12:30, whi-ru сказал:

Что-то подсказывает что правильно заданные контактные условия и настройки  "результаты и эпюры" дадут нужный результат

маловероятно. нужный  - это тот, который Вы выше привели,

02.03.2021 в 12:30, whi-ru сказал:

так там есть эпюра "масса отраженной нагрузки".

и что бы это могло быть, исходя из названия?

02.03.2021 в 12:30, whi-ru сказал:

Пока я решил отложить эту задачу.

вот и славно)

[Jesse 963]

11.02.2021 в 00:34, статист сказал:

В общем происходит усталостное разрушение хрупкого материала, но трещинки настолько малы и эксплуатирующие нагрузки выбраны так, что эта трещина будет расти до критической при данных условиях эксплуатации n-лет даже при большом разбросе свойств. Все зависит от качества материала.

всё-таки удивляет, что шарики в таких подшипниках из керамики, т.е. судить о прочности шарика нужно по сигма1, то бишь по сути по контактным напряжениям, а они в больших быстроходных подшипниках (тем более в роторной технике!) могут достигать и 6-7 ГПа. Неужто у керамики такая прочность?

Вот как пример нашёл подшипники, используемые в гоночном спорте и у проф. роллеров
https://608zz.ru/catalog/608-zz/podshipnik-608-forfar-keramika/

https://www.ozon.ru/product/podshipniki-keramicheskie-hard-luck-184411050/?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=RF_Product_Shopping_Smart_merchant_SSC&gclid=CjwKCAjwxuuCBhATEiwAIIIz0YZl5UMG4by5wcwEnWOzW4hsrBaSJDZuGDeaTiGkQDGO3KY5C8KW7RoC5hIQAvD_BwE#section-description--offset-80

Изменено 24 марта 2021 пользователем Jesse

[статист 609]

4 часа назад, Jesse сказал:

всё-таки удивляет, что шарики в таких подшипниках из керамики, т.е. судить о прочности шарика нужно по сигма1, то бишь по сути по контактным напряжениям, а они в больших быстроходных подшипниках (тем более в роторной технике!) могут достигать и 6-7 ГПа. Неужто у керамики такая прочность?

@Jesse Ну так там на сжатие они в основном работают. 1-е главные возникают там косвенно. А на сжатие керамика работает хорошо.

[Jesse 963]

18 часов назад, статист сказал:

А на сжатие керамика работает хорошо.

ну да, вижу. фаст гуглинг чё т такое выдал..)

18 часов назад, статист сказал:

1-е главные возникают там косвенно

косвенно как понять?)

[статист 609]

6 часов назад, Jesse сказал:

косвенно как понять?)

 

Во картинка

 

Это для линз и зеркал, но суть одна. Давим на площадку, а по краям возникают растягивающие напряжения.

 

[Jesse 963]

16 часов назад, статист сказал:

Это для линз и зеркал, но суть одна. Давим на площадку, а по краям возникают растягивающие напряжения.

Хрупкий металл по идее сразу трескаться начинает если на него давить..) Удивительно что в стекле два лругих нормальных напряжения успевают развиться до уровня 1/6 от g_c...

[статист 609]

4 часа назад, Jesse сказал:

Хрупкий металл по идее сразу трескаться начинает если на него давить..)

Не понял этого момента. @Jesse разъясни подробней.

[Jesse 963]

5 минут назад, статист сказал:

Не понял этого момента. @Jesse разъясни подробней.

в стальном рельсе в месте контакта с колесом, или в стальном подшипнике первое главное напряжение направлено по нормали к пов-сти, и два других главных напряжения одного порядка. И по критерию прочности (МИзесу) всё проходит. Для хрупкого же материала  два других главных напряжения оч малы по сравнению с первым; Мизес не подходит; Наиболее простой критерий прочности - первое главное напряжение. 
Да эт и интуитивно понятно: если на лёд давить вертикально, то он трескается, а не деформируетсяэнергия деформация минимальна; напряжения не перераспределяются

[статист 609]

1 час назад, Jesse сказал:

Да эт и интуитивно понятно: если на лёд давить вертикально, то он трескается, а не деформируетсяэнергия деформация минимальна; напряжения не перераспределяются

Это все зависит от величины трещинки и критического КИНа https://ru.wikipedia.org/wiki/Коэффициент_интенсивности_напряжений

У льда критический КИН маленький и много пузырьков воздуха в нем, которые можно рассматривать как начальные трещины. У стекла, если поверхностные трещины зажать, будет вести себя тоже очень хорошо, даже при изгибе

 

А энергия деформации тут не причем. Это чисто упругая штука.