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 608]

Скиньте модель в Солиде и на всякий случай в степе или парасолиде.

[whi-ru 0]

55 минут назад, статист сказал:

Скиньте модель в Солиде и на всякий случай в степе или парасолиде.

Закачал упрощенную сборку и step на хранилище, вот ссылка на отдельные файлы и RAR-архив (в архиве такие же файлы):

https://cloud.mail.ru/public/NYds/aosZv8RVU

[статист 608]

16 минут назад, whi-ru сказал:

Закачал упрощенную сборку и step на хранилище, вот ссылка на отдельные файлы и RAR-архив (в архиве такие же файлы):

https://cloud.mail.ru/public/NYds/aosZv8RVU

Спасибо. Еще скажите, с какой скоростью вращается ротор и на всякий случай, как быстро разгоняется. И какие подшипники применяете.

[whi-ru 0]

1 минуту назад, статист сказал:

Спасибо. Еще скажите, с какой скоростью вращается ротор и на всякий случай, как быстро разгоняется. И какие подшипники применяете.

Скорость вращения ротора 670 оборотов в минуту, разгоняется примерно за 20 секунд до 670 оборотов. Подшипники 608ZZ керамические (но это не принципиально)

[Jesse 958]

2 часа назад, whi-ru сказал:

опрос, как, зная эти данные, можно смоделировать действующую нагрузку на два подшипника в Solidworks`е?

Если нужно просто определить нагрузки (силы), действующие на подшипники, то можно исключить их из анализа, заменив виртуальными подшипниками. При этом грань делается абсолютно жесткой в радиальном направлении, и надо будет подбирать жесткость подшипников. Или не надо, если достаточно жестко сидят. Силы реакции можно будет потом вытащить по результатам анализа

 

2 часа назад, whi-ru сказал:

можно ли задать каким-то образом временные рамки чтобы понять срок службы?

Эт уже Fatigue.

На всякий случай лучше сделать частотный анализ чтоб убедиться, что первая СЧ >> 11 гц (у вас скорее всего так)

Тогда можно уверенно делать анализ усталости на основе статического анализа 

[whi-ru 0]

38 минут назад, Jesse сказал:

Если нужно просто определить нагрузки (силы), действующие на подшипники, то можно исключить их из анализа, заменив виртуальными подшипниками. При этом грань делается абсолютно жесткой в радиальном направлении, и надо будет подбирать жесткость подшипников. Или не надо, если достаточно жестко сидят. Силы реакции можно будет потом вытащить по результатам анализа

 

Эт уже Fatigue.

На всякий случай лучше сделать частотный анализ чтоб убедиться, что первая СЧ >> 11 гц (у вас скорее всего так)

Тогда можно уверенно делать анализ усталости на основе статического анализа 

Именно так, нужно определить какие нагрузки при вращении ротора действуют на подшипники, в двух вариациях ротора: 1) с 4 лучами, 2) с 3 лучами без 1 луча. Получается эти данные можно посчитать в Simulation с помощью статического / частотного исследования (я так понимаю, вы имеете ввиду статическое), и потом использовать эти данные в исследовании усталости на срок службы. Буду пробовать. Да, подшипники сидят жёстко. Просто собственно вопрос как найти эти нагрузки имея исходные данные (масса, центр тяжести, материал, число оборотов в минуту), т.к. с такими типами нагрузок до этого я не работал.
 

Изменено 9 февраля 2021 пользователем whi-ru

[karachun 2 038]

16 минут назад, whi-ru сказал:

какие нагрузки при вращении ротора действуют на подшипники, в двух вариациях ротора: 1) с 4 лучами

дисбаланс, из-за несовершенства конструкции

И в солиде вы его не определите, для первого случая

Изменено 9 февраля 2021 пользователем karachun

[whi-ru 0]

13 минут назад, karachun сказал:

дисбаланс, из-за несовершенства конструкции

И в солиде вы его не определите

Правильно, нужно определить нагрузки при дисбалансе с 3 лучами без 1 луча, но также и с 4 лучами. Может есть такая программа, в которой можно посчитать нагрузки с дисбалансом (?)

 

Изменено 9 февраля 2021 пользователем whi-ru

[статист 608]

19 минут назад, whi-ru сказал:

Правильно, нужно определить нагрузки при дисбалансе с 3 лучами без 1 луча, но также и с 4 лучами. Может есть такая программа, в которой можно посчитать нагрузки с дисбалансом (?)

 

Есть Ansys, Femap, Comsol и другие. Смотрите роторная динамика https://en.wikipedia.org/wiki/Rotordynamics

Но у вас случай простой. Можно попробовать посчитать ручками. Посмотрите Пановко Основы прикладной теории колебаний и удара, стр . 131 и т. д. или Биргер, расчет на прочность деталей машин, глава критическая частота вращения валов.

omega_kr=sqrt(c/m) - вот как раз критическая частота вращения.

где c - радиальная жесткость вала в точке крепления груза можете вытащить из солида с моделированием подшипников или шарниров как первое приближение, m - это масса подвешенного груза.

Дисбаланс у вас будет вызывать смещение центра масс в связи с отсутствием лопасти. И вызванные этим нестабильность из-за центробежной силы. При этом, я думаю критические скорости для случая трех и четырех лопастей будут не сильно отличаться, а вот прогибы сильно. Из-за этого вал с тремя лопастями выйдет из строя быстрее. Формула с прогибами дана в книжках. Усталость посчитать можно по максимальным напряжениям на валу при вращении по S-N графику.

Изменено 9 февраля 2021 пользователем статист

[whi-ru 0]

20 минут назад, статист сказал:

Есть Ansys, Femap, Comsol и другие. Смотрите роторная динамика https://en.wikipedia.org/wiki/Rotordynamics

Но у вас случай простой. Можно попробовать посчитать ручками. Посмотрите Пановко Основы прикладной теории колебаний и удара, стр . 131 и т. д. или Биргер, расчет на прочность деталей машин, глава критическая частота вращения валов.

omega_kr=sqrt(c/m) - вот как раз критическая частота вращения.

где c - радиальная жесткость вала в точке крепления груза можете вытащить из солида с моделированием подшипников или шарниров как первое приближение, m - это масса подвешенного груза.

Дисбаланс у вас будет вызывать смещение центра масс в связи с отсутствием лопасти. И вызванные этим нестабильность из-за центробежной силы. При этом, я думаю критические скорости для случая трех и четырех лопастей будут не сильно отличаться, а вот прогибы сильно. Из-за этого вал с тремя лопастями выйдет из строя быстрее. Формула с прогибами дана в книжках. Усталость посчитать можно по максимальным напряжениям на валу при вращении по S-N графику.

Благодарю вас за информацию! Буду пробовать! 

Изменено 9 февраля 2021 пользователем whi-ru

[karachun 2 038]

42 минуты назад, whi-ru сказал:

но также и с 4 лучами

С 4 лучами у вас геометрически (в солиде) деталь идеально сбалансирована.

Дисбаланс будет у реального ротора от неточностей изготовления. Его или измеряют на реальном роторе или смотрят в стандарте на данную деталь - какой дисбаланс максимально допустимый. Т.е. вы предполагаете что ротор на производстве отбалансируют согласно тех. требованиям и дисбаланс будет не больше некоторой нормируемой величины.

 

 

С 3 лучами у вас дисбаланс в явном виде, из-за несимметричной геометрии.

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=v62bBJ_Htcw

 

Изменено 9 февраля 2021 пользователем karachun

[whi-ru 0]

12 часов назад, karachun сказал:

С 4 лучами у вас геометрически (в солиде) деталь идеально сбалансирована.

Дисбаланс будет у реального ротора от неточностей изготовления. Его или измеряют на реальном роторе или смотрят в стандарте на данную деталь - какой дисбаланс максимально допустимый. Т.е. вы предполагаете что ротор на производстве отбалансируют согласно тех. требованиям и дисбаланс будет не больше некоторой нормируемой величины.

 

 

С 3 лучами у вас дисбаланс в явном виде, из-за несимметричной геометрии.

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=v62bBJ_Htcw

 

Проблема не в балансировке ротора. Ротор используется с 4 лучами всегда. Просто необходимо создать стрессовую ситуацию для подшипников и понять какие нагрузки они выдерживают, ради этого и нужен дисбаланс без 1 луча. Но я сейчас борюсь с тем чтобы понять с какой силой действует вал на подшипники, хотябы для начала посчитать эту нагрузку с сбалансированным  ротором с 4 лучами. Я так понимаю нужно запускать статический расчёт в Simulation, задавать контактные условия, переводить обороты/мин в рад/с и запускать исследование...

Изменено 10 февраля 2021 пользователем whi-ru

[karachun 2 038]

8 минут назад, whi-ru сказал:

Но я сейчас борюсь с тем чтобы понять с какой силой действует вал на подшипники, хотябы для начала посчитать эту нагрузку с сбалансированным  ротором с 4 лучами.

Так вы сами себе противоречите. У ротора с 4 лопастями нагрузка будет от дисбаланса. Это свойство реальной конструкции.

Если вы сейчас даже будете крутить ваш ротор в солиде то вы ничего не получите - в солиде центр тяжести находится на оси вращения.

Без дисбаланса останется только статическая нагрузка, от веса ротора.

 

В общем я вам написал как я считаю а вы сами думайте - нужно вам оно или нет.

[whi-ru 0]

21 минуту назад, karachun сказал:

Так вы сами себе противоречите. У ротора с 4 лопастями нагрузка будет от дисбаланса. Это свойство реальной конструкции.

Если вы сейчас даже будете крутить ваш ротор в солиде то вы ничего не получите - в солиде центр тяжести находится на оси вращения.

В реальных условиях вал устройства находится параллельно плоскости пола, также на устройство действует сила тяжести. Подшипники в посадочных гнездах в статоре плотно зафиксированы. Устройство работает 24/7. Я так понимаю вращающийся ротор при работе устройства создает колебания и микро удары, которые в свою очередь влияют на подшипники. Подшипники выходят из строя очень рано – 2-3 месяца при том сразу на всех устройствах. Нужно понять что происходит, возможно брак в подшипниках, либо они входят в резонанс при работе устройства и материал разрушается либо еще другая причина. И нужно как-то понять какие нагрузки испытывают подшипники при таких исходных данных 

Изменено 10 февраля 2021 пользователем whi-ru

[karachun 2 038]

@whi-ru А этот ротор что-то перемешивает?

Если да то от этого тоже будут дополнительные нагрузки.

[whi-ru 0]

2 минуты назад, karachun сказал:

@whi-ru А этот ротор что-то перемешивает?

Если да то от этого тоже будут дополнительные нагрузки.

Ну ротор устройства действует только воздух

[Jesse 958]

13 минут назад, whi-ru сказал:

 Устройство работает 24/7. Я так понимаю вращающийся ротор при работе устройства создает колебания и микро удары, которые в свою очередь влияют на подшипники. Подшипники выходят из строя очень рано – 2-3 месяца при том сразу на всех устройствах. Нужно понять что происходит, возможно брак в подшипниках, либо они входят в резонанс при работе устройства и материал разрушается либо еще другая причина.

быть может дело в этом...

 

15 часов назад, whi-ru сказал:

Подшипники 608ZZ керамические (но это не принципиально)

керамика хрупче. Усталостные трещины, все дела.. Нет предела выносливости как у стали. Удивлён, что их используют в роторной технике...
 

[karachun 2 038]

25 минут назад, whi-ru сказал:

либо они входят в резонанс при работе устройства и материал разрушается

Только не подшипники а весь вал работает на критической частоте и долго не живет.

 

Для начала посчитайте собственные частоты, даже невращающегося вала. обороты у вас небольшие. Посмотрите какие у вас критические частоты и не попадаете ли вы на одну из них.

[whi-ru 0]

20 минут назад, Jesse сказал:

быть может дело в этом...

 

керамика хрупче. Усталостные трещины, все дела.. Нет предела выносливости как у стали. Удивлён, что их используют в роторной технике...
 

Всё возможно. 

8 минут назад, karachun сказал:

Только не подшипники а весь вал работает на критической частоте и долго не живет.

 

Для начала посчитайте собственные частоты, даже невращающегося вала. обороты у вас небольшие. Посмотрите какие у вас критические частоты и не попадаете ли вы на одну из них.

Я так понимаю вы имеете ввиду нужно будет сопоставить собственные частоты вала и собственные частоты подшипника и убедиться что они не совпадают (?)

Изменено 10 февраля 2021 пользователем whi-ru