ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 6, 2014
УДК 689.89:621.891
© 2014 г. Дроздов Ю.Н. , Надеин В.А., Пучков В.Н.
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ МАЯТНИКОВЫХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ДЛЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва
Разработан экспериментально-расчетный метод для определения долговечности фрикционного маятникового подшипника, используемого в качестве сейсмического изолятора. Предложен метод оценки коэффициента трения фрикционных маятниковых подшипников. Проанализированы перспективы создания антифрикционного самосмазывающегося покрытия с заданными трибологическими свойствами. Изучено тепловое состояние фрикционных сейсмических изоляторов. Результаты проведенных экспериментов подтвердили правильность выполненных ранее теоретических оценок ресурса маятниковых подшипников, что позволило достоверно прогнозировать их надежную работу в течение всего срока службы, составляющего 30-40 лет.
Морские платформы "Лун — А" и ПА — Б" проекта "Сахалин-2", установленные на северо-восточном шельфе о. Сахалин, спроектированы и построены с учетом высокой сейсмичности региона, в котором они используются. Их конструкции, имеющие в своем составе эффективные средства сейсмоизоляции в виде фрикционных маятниковых подшипников, без повреждений и отказов оборудования способны выдержать нагрузки, возникающие при землетрясениях с вероятной повторяемостью один раз в 200 лет, а также должны остаться без серьезных повреждений при очень редком землетрясении, с частотой возникновения один раз в 3 тысячи лет [1—3].
При освоении месторождения Аркутун-Даги проектирование сейсмостойкой нефтедобывающей платформы проекта Сахалин-1 проводили с использованием пробированных ранее для платформ Лунского и Пильтун-Астохского месторождений проекта Сахалин-2 методов сейсмической защиты с применением фрикционных маятниковых подшипников, которые успешно и безопасно функционируют, начиная с 2007 года до настоящего времени. В этих работах использованы экспериментально-расчетные методы определения срока службы фрикционного маятникового подшипника скольжения-сейсмоизолятора с использованием зависимостей для определения скорости изнашивания, представленных в обобщенных переменных, а также оценки коэффициентов трения и температурного состояния фрикционно-маятниковых подшипников [4, 5].
Для крупных промышленных и гражданских сооружений, расположенных в зонах с высокой сейсмической активностью, необходимо предпринимать меры против развития опасных напряжений в элементах конструкций, возникающих при сейсмических воздействиях путем включения в их состав средств сейсмической изоляции, например, специальных фрикционных маятниковых подшипников скольжения, которые обеспечивают низкий уровень трения при перемещениях этих элементов. Эти перемещения могут иметь как вращательные компоненты, так и компоненты скольжения.
Рис. 1
Причины этих перемещений могут быть различными: наиболее распространенные перемещения обусловлены сезонными и суточными изменениями температур окружающей среды; изменение внешних нагрузок может быть также вызвано иными причинами, однако наиболее опасными являются силовые воздействия, возникающие от землетрясений.
Рабочие характеристики маятниковых подшипников скольжения: контактное давление P = 30^65 МПа; скорость скольжения V = 0,025^0,9 м/с; температура среды - 40°^+40°; срок службы 30^40 лет.
На рис. 1 представлены свойства фрикционного маятникового подшипника: динамический коэффициент трения; D — проектное смещение; d — поперечное перемещение; W — вертикальная нагрузка; F=fW + [ W/R]D; R — радиус кривизны; 2л/л/R/g = Т— период подшипника; K = fyW/Dy — начальная жесткость; Кэфф = F/D — эффективная
жесткость; K = W/R — жесткость подшипника; Тэфф = 2п JW/K^^^g — эффективный период; ^ = (2/п)[ f.( f + D/R)] — эффективное демпфирование.
Влияние сейсмических воздействий на трибологические характеристики фрикционного маятникового подшипника. Характеристики маятника используются для повышения периода собственных колебаний изолированной конструкции таким образом, чтобы избежать наибольших сил, возникающих при землетрясении. Во время землетрясения сферический ползун внутри маятникового подшипника скользит вдоль вогнутой поверхности и движется в пределах малых перемещений маятника. Сферические очертания ползуна позволяют получать весьма однородное распределение давления под сферическим ползуном. Это распределение давления снижает прерывистое движение и предотвращает возникновение высокой локальной нагрузки на скользящей поверхности подшипника. Поскольку смещения, вызванные землетрясением возникают первоначально в подшипниках, то горизонтальные нагрузки и колебательные движения, передаваемые на конструкцию, быстро снижаются.
В исследованиях японского ученого С. Секия показано, что при сильном землетрясении движение поверхности грунта носит хаотический характер с пространственными перемещениями точек грунта. Сейсмическая изоляция основания сооружения с использованием подшипников скольжения применяется для снижения основной собственной частоты основания конструкции с тем, чтобы она не совпадала с доминирующими частотами, содержащимися в спектре сейсмических колебаний грунта.
На рис. 2 показан типичный спектр ускорений грунта морского дна для проектного землетрясения вместе с ответным спектром от опор гравитационного основания в точке под палубной частью платформы, а также ответный спектр ускорений платформы с фрикционными маятниковыми подшипниками [1].
g
2,5
1,5
0,5
3
0 0,5
1,5 2,5
3,5 т
2 3
Рис. 2
Рис. 5
Фрикционные маятниковые подшипники применяются сегодня для уменьшения сейсмической опасности и ликвидации последствий землетрясений. При условии, что подшипники имеют приемлемые характеристики старения и надлежащее выполнение, современные технологии сейсмической изоляции могут существенно улучшить поведение строительных конструкций при землетрясениях. В то же время подшипники скольжения могут иметь недостаточную эффективность, особенно если они неправильно выбраны или неподходящим образом используются. Подшипники для сейсмической изоляции содержат верхнюю плиту с толстым (50 мм) покрытием из полированной нержавеющей стали и сферического ползуна с покрытием (1,5^2 мм) из неметаллических, композиционных материалов, содержащих политетрафторэтилен (ПТФЭ). Эти композиции, как правило, считаются надежными, в том смысле, что коррозия нержавеющей стали незначительна, а ползучесть неметаллических материалов существенно не влияет на трение [1, 4]. Однако материалы, содержащие фторопласт в латунной или бронзовой матрице, закрепленной на стальной основе, непригодны для сейсмической изоляции из-за проблемы коррозии и существенно стоп-эф-фекта [4].
Фрикционное нагревание маятниковых подшипников при сильном землетрясении является важным фактором, влияющим на работоспособность подшипников скольжения (сейсмоизоляторов), поскольку оно существенно влияет на износ самосмазывающегося композиционного покрытия. Это может привести к ограничению ресурса подшипника или даже к выходу его из строя. Теоретические решения для прироста поверхностной контактной температуры и законы распределения температуры по глубине разработаны и проверены путем сравнения с экспериментальными результатами [5, 6].
Таким образом, главное назначение фрикционных маятниковых подшипников при их применении на нефтедобывающих и газодобывающих платформах — снижение сейсмических нагрузок, воспринимаемых верхними строениями. Первоначальные исследования показали, что применение маятниковых подшипников удовлетворяет этому основному требованию [1].
Длительность и режимы динамических испытаний опытных образцов подшипников выбираются так, чтобы накладываемое движение можно было получить на имеющихся в наличии испытательных машинах и чтобы эти режимы испытаний были термодинамически эквивалентны наиболее необходимому случаю, полученному из выходных данных расширенного анализа платформы в целом с учетом максимальных параметров Проектного землетрясения. Расчеты роста температуры в расчетной модели двунаправленного движения и в эквивалентном однонаправленном движении используются для установления эквивалентного однонаправленного движения. Термодинамическая эквивалентность основана на поддержании роста средней температуры на поверхности скольжения [5, 6].
Перемещение по У, м
0,2 -
/0,1 /1 /^
-0,2' " "" 7
-0,2 -
Перемещение по X, м
Рис. 3
1,5 ■ 10-7 1,0 ■ 10-7 5 ■ 10-8
60 80 Р, МПа
Рис. 4
На рис. 3 представлено движение подшипника в поперечном и продольном направлениях, площадь номинального контакта и ее эквивалент в виде квадрата [1]. В эквивалентном однонаправленном движении рассматривается приток мощности и теплового потока на наибольшем пройденном подшипником пути. Расчеты роста температуры в расчетной модели двунаправленного движения и в эквивалентном однонаправленном движении используются для установления эквивалентного однонаправленного движения.
Коэффициенты трения фрикционных маятниковых подшипников, для определения
которых используется следующее выражение [2]:/ = К- и" /рЬа - Т0 , где К — размерный коэффициент; а, Ь, с — экспериментально определяемые значения. Область использования формулы 0 <ра < 260 МПа, 273 < Т0 < 453 К, 0,0001 < и < 0,04 м/с.
Оценка ресурса фрикционных маятниковых подшипников скольжения. Разработан оригинальный экспериментально-расчетный метод для определения долговечности фрикционного маятникового подшипника, используемого в качестве сейсмического изолятора. Это подразумевает использование зависимостей для определения интенсивности изнашивания материала покрытия, представленных в обобщенных переменных [2, 3].
Математическая модель, характеризующая процесс изнашивания вкладыша, формулируется с использованием методов теории подобия и анализа размерностей, посредством объединения теоретических представлений (фундаментальных уравнений), описывающих природу процесса и экспериментальных исследований и имеет вид
а! а2 ап
1к = КФ) (Ф2) ,.., (Фп) .Здесь К — безразмерный коэффициент; Ф,- (; = 1, ..., п)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.