مدل سازي ديناميكي و تحليل آزمايشگاهي اتلاف توان در يك سيستم دوار با عيوب ناهمراستايي زاويه‌اي و نابالانسي

Dynamic Modeling and Experimental Evaluation of the Power Loss of a Rotating System with the Angular Misalignment and Unbalancing Faults

مسأله اتلاف انرژي در ماشين آلات دوار به دليل وجود عيوب ناهمراستايي و نابالانسي يكي از مهمترين مسايل در صنايع مرتبط به شمار مي‌رود. لذا در اين پژوهش، ابتدا با مدل-سازي قسمت‌هاي مختلف يك سيستم دوار ديسك-محور- كوپلينگ با كوپلينگ انعطاف‌پذير با استفاده از روشي نوين مبتني بر ديناميك محاسباتي، ميزان اتلاف توان در صورت وجود هر دو عيب ناهمراستايي زاويه‌اي و نابالانسي تعيين مي‌گردد. براي اين منظور، از المان‌هاي فنر-ميراكننده خطي و پيچشي براي مدل‌سازي كوپلينگ انعطاف‌پذير استفاده مي‌شود. پس از معرفي سيستم مورد نظر، ابتدا معادلات قيود سينماتيكي نوشته مي‌شوند و سپس فرم كلي معادلات حركت بر اساس روش اويلر-لاگرانژ بدست مي‌آيند. در ادامه، به تفصيل مراحل استخراج نيروهاي تعميم يافته بيان مي‌شود. پس از استخراج روابط حاكم بر مسأله و حل عددي آن‌ها با استفاده از روش رانگ‌كوتاي مرتبه پنج، توان اتلافي سيستم معيوب محاسبه مي‌گردد. همچنين، تأثير افزايش نابالانسي و ناهمراستايي زاويه‌اي بر جابجايي مركز ديسك و نيروهاي وارد بر تكيه‌گاه مورد بررسي قرار مي‌گيرد. در بخش بعدي اين پژوهش، جهت صحت سنجي نتايج تئوري با انجام مجموعه‌اي از آزمايش‌هاي عملي بر روي سيستم شبيه‌ساز عيوب و محاسبه توان مصرفي دستگاه، ميزان توان اتلافي به صورت تجربي محاسبه مي‌شود. براي اين منظور، از تحليل‌گر توان ديجيتال كه بر سر راه دستگاه قرار مي‌گيرد، استفاده مي‌شود. بر اساس نتايج حاصل از اين پژوهش، ارتباط افزايش توان اتلافي در اثر افزايش پارامترهايي نظير سرعت، ناهمراستايي زاويه‌اي و نابالانسي به وضوح مشاهده مي‌شود.

The problem of power loss in rotating machinery subjected to the angular misalignment and unbalancing faults are of great importance in relevant industries. Therefore, in this study, evaluation of the power loss and bearing forces of a typical coupling-disk-shaft system with angular misalignment and unbalancing faults is conducted using a novel approach based on the multibody dynamics. In this concern, the flexible coupling is modeled by linear and torsional spring-damper elements. After introducing the model, the kinematic constraints as well as the general form of Euler-Lagrange equations of motion are expressed. Then, the generalized forces are derived in detail. The equations of motion are then solved numerically by the 5th order Runge-Kutta method to evaluate the system power loss. In addition, the effect of angular misalignment and unbalancing faults on the disk displacements as well as the bearing forces are discussed. In the next part of this study, the theoretical results of the power loss are verified experimentally on a faulty simulator system. For measuring the power consumption, a digital power analyzer is used. The results of this research clearly highlight how the power loss is affected by increasing the amount of the system rotational velocity, the angle of misalignment, and the unbalance mass.