Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние вопроса. Постановка цели и задач исследований
1.1 Ретроспективный обзор проведённых исследований 13
1.2 Оценка состояния вопроса, анализ развития крутильных колебаний судовых МДК (на примере испытаний, проведённых испытательным центром MTS) 18
1.3 Постановка цели и задач исследований 20
Глава 2 Разработка конструкции маховика-демпфера и расчетно-теоретическое исследование гашения крутильных колебаний в судовых МДК с маховиком-демпфером
2.1 Разработка конструкции маховика-демпфера 22
2.2 Расчетно-теоретическое исследование гашения крутильных колебаний в судовых МДК с маховиком-демпфером 24
2.3 Выводы по главе 25
Глава 3 Результаты расчетно-экспериментального исследования гашения крутильных колебаний исследовательского стенда с силиконовым демпфером, с маховиком-демпфером
3.1 Описание установки. Измерительная и.регистрирующая аппаратура 26
3.2 Расчет экспериментального стенда на крутильные колебания 41
3.3 Порядок проведения испытаний на стенде 59
3.4 Результаты экспериментальных исследований 60
3.5 Оценка погрешности результатов измерений 61
3.6 Выводы по главе 64
Глава 4 Экспериментальное определение степени неравномерности вращения вала исследовательского стенда и судового вало-провода
4.1 Устройство для определения степени неравномерности вращения 65
4.2 Экспериментальное определение степени неравномерности вращения вала модельной экспериментальной установки 67
4.3 Расчетно-экпериментальное определение степени неравномерности вращения коленчатого вала МДК судна проекта 1557 «Ватан-1» 69
4.4 Расчетно-теоретическое определение степени неравномерности вращения коленчатого вала судовых МДК 75
4.5 Выводы по главе 86
Заключение 87
Список использованных источников 89
- Оценка состояния вопроса, анализ развития крутильных колебаний судовых МДК (на примере испытаний, проведённых испытательным центром MTS)
- Расчетно-теоретическое исследование гашения крутильных колебаний в судовых МДК с маховиком-демпфером
- Порядок проведения испытаний на стенде
- Экспериментальное определение степени неравномерности вращения вала модельной экспериментальной установки
Введение к работе
Актуальность работы.
Колебания деформаций и напряжений кручения (в дальнейшем крутильные колебания (КК)) в судовых валопроводах, их теоретический анализ и поиск практических способов гашения являются давней научно-технической проблемой, не потерявшей актуальности и значения в наше время. Универсальное решение данной проблемы усложняется конструкционным многообразием и условиями работы судового машинно-движительного комплекса (МДК). Частным техническим решением задачи гашения КК или хотя бы снижение амплитуд развиваемых напряжений в валопроводе является установка демпфера. Демпферы изготавливают серийно в виде размерных рядов несколькими специализированными производителями (STE, Holset и др.). Задачей проектировщиков МДК оказывается выбор подходящего номера демпфера и места его установки в составе валопровода. Применяемые в настоящее время в судовых МДК демпферы, как правило, устанавливаются с носового конца коленчатого вала дизеля. В многочисленных источниках, отражающих вопросы, связанные с гашением КК авторы или не рассматривают вопрос о месте установки демпфера КК, или рекомендуют устанавливать демпфер с носового конца коленчатого вала дизеля (в месте наибольших амплитуд свободных колебаний) для достижения максимальной эффективности демпфирования.
Теоретические и экспериментальные исследования, а также торсиогра-фирование (тензометрирование) в судовых МДК с демпфером, установленным с носового конца коленчатого вала, нередко выявляют запретные зоны частот вращения в диапазоне эксплуатационных режимов, или наличие резонансов, переход через которые сопровождается чрезмерно большими напряжениями в элементах валопровода. Устойчиво проявляющаяся в режиме эксплуатационного диапазона частот вращения коленчатого вала запретная зона (нередко таких зон бывает несколько) вызывает большие неудобства и даже невозможность нормальной работы МДК. Например, по результатам торсиографирования ИЦ MTS валопроводов МДК сухогрузов проекта 19610 («Торик» отчет по научно-исследовательской работе, хоздоговор (х/д) № 01/2003 от 15.09.03, «Дюрсо» х/д № 07/2003 от 28.11.03, «Расул Гамзатов» х/д № 08/2003 от 23.12.03, «Мысхако» х/д № 55/2004 от 18.05.04, «Каспий» х/д № 66/2004 от 10.07.04) сохранена запретная зона, назначенная с постройки судов (230-280 об/мин).
Часто встречаются МДК с демпфером, где его установка не требуется. В данных МДК развитие амплитуд угла закручивания вала (далее амплитуд) от КК без демпфера не превышает допустимых величин. Так, например, результат торсиографирования ИЦ MTS валопровода МДК сухогруза проекта 1557 «Вилла-мун» (х/д 02/2003 от 24.09.03) без демпфера подтвердил, что нет необходимости в установке демпфера.
Установка демпфера и маховика с обеих сторон коленчатого вала усложняет конструкцию дизеля в целом и в некоторых МДК приводит к опасному развитию КК.
Развитие КК влияет и на неравномерность вращения (НВ) валов МДК.
НВ, как правило, характеризуется степенью НВ. В литературных источниках отсутствует анализ связи КК со степенью НВ, а ориентировочные допускаемые значения этого показателя в различных источниках отличаются более чем на 30%.
Существенным фактором в решении задачи удовлетворительного гашения КК является то обстоятельство, что промышленностью выпускаются дизельные установки с заранее установленным маховиком и демпфером.
На основании вышеизложенного была определена необходимость дальнейших исследований по повышению эффективности гашения КК и оценке степени НВ вала для последующего применения полученных результатов при проектировании, модернизации и реконструкции (переоборудовании) МДК.
Основание для разработки:
Исследование проведено в рамках:
плана НИР НИИ энергетики Южного научного центра Российской Академии Наук (ЮНЦ РАН), действующего на базе АГТУ;
плана НИР кафедры «Эксплуатация водного транспорта»;
плана работ ИЦ MTS, входящим в состав НИИ энергетики ЮНЦ РАН и аккредитованным на техническую компетентность Российским морским регистром судоходства (MP) (Свидетельство о признании № 05.60396.141 от 14.04.2005 г.) и Российским речным регистром (РР) (Свидетельство о признании № 2931 от 04.06.2007 г.) в области проведения испытаний МДК на КК при их постройке, эксплуатации и ремонте в соответствии с требованиями MP и PP.
Объект исследования - машинно-движительные комплексы судов смешанного (река-море) плавания с прямой передачей мощности на гребной винт на базе среднеоборотных дизелей мощностью 475-970 кВт, частотой вращения 125-428 об/мин.
Предмет исследования - процессы гашения крутильных колебаний и неравномерность вращения в судовых валопроводах.
Цель - повышение эффективности гашения КК в судовых валопроводах, устранение запретных зон из рабочего диапазона частот вращения МДК, упрощение конструкции дизельной установки и оценка НВ валопровода при использовании маховиков-демпферов.
Задачи исследования:
-на основе расчетных и экспериментальных (на базе материалов ИЦ MTS) исследований судовых валопроводов провести анализ развития КК в валах МДК на базе среднеоборотных дизелей (СОД) мощностью 475-970 кВт, частотой вращения 125-428 об/мин;
-разработать конструкцию маховика-демпфера (М-Д);
-провести расчетно-теоретический анализ развития КК в судовых валопроводах с М-Д, установленным в различных местах валопровода;
-модернизировать исследовательский стенд ИЦ MTS, позволяющий из-
- э
менять место установки М-Д;
-выполнить экспериментальные исследования с демпфером, с М-Д на исследовательском стенде;
-предложить способ определения степени НВ валопровода с учетом КК;
-выполнить экспериментальные исследования по определению степени НВ вала на исследовательском стенде без демпфера, с демпфером, с М-Д;
-провести натурные испытания судовых МДК по оценке работоспособности силиконовых демпферов главных дизелей и определить влияние КК на степень НВ.
Методы решения задач исследования.
Методологической базой диссертации являются исследования ученых: И.А. Лурье, В.П. Терских, В.В. Алексеев, Г.М. Басалыгин, Ф.Ф. Болотин, Г.Д. Кор-тын, П.А. Истомин, Г.И. Бухарина, Л.В. Ефремов, СЕ. Чернов, Кер-Вильсон, Дж. П. Ден-Гартог, В.К. Чистяков, Л.В. Тузов, А.Н. Гоц, А.С. Орлин, М.Н. Покусаев и др.
Расчётно-теоретические исследования, обработка экспериментальных данных произведены с использованием современных программных продуктов «Astech Electronics», «Microsoft Office Excel 2003».
Достоверность результатов определяется:
апробированным методом расчета КК;
применением современных, сертифицированных средств измерения и регистрации параметров КК и степени НВ;
удовлетворительным совпадением результатов расчетов с данными, полученными при стендовых и натурных испытаниях.
Научная новизна:
-развёрнутый анализ зависимости параметров КК от частоты вращения коленчатого вала в МДК с прямой передачей мощности СОД на гребной винт позволил установить неэффективность традиционной установки демпфера, проявляющуюся в практически неизбежном назначении запретных зон в рабочем диапазоне частот вращения коленчатых валов главных дизелей;
-предложена конструкция М-Д, особенность которой заключается в совмещении функций маховика дизеля и силиконового демпфера с учетом места установки разработанного М-Д. На конструкцию М-Д получен патент на полезную модель;
-создано оригинальное устройство, позволяющее определять степень НВ вала на любом режиме работы судовых МДК;
-установлена связь между режимом КК и степенью НВ, заключающаяся в том, что на резонансных частотах вращения степень НВ складывается из степени НВ для абсолютно жесткого валопровода и степени НВ, обусловленной наличием вынужденных КК, деформируемого вала;
- получены новые эмпирические зависимости, определяющие взаимосвязь степени НВ и частоты вращения с учетом момента инерции вращающихся частей МДК. Уточнены значения степени НВ, для дизелей, непосредственно работающих на гребной винт на номинальном режиме работы.
На зашиту выносятся:
-
Конструкция М-Д, как объекта для гашения КК и стабилизации НВ;
-
Метод моделирования системы КК в валопроводе МДК с использованием предложенного критерия подобия этих систем;
-
Устройство, позволяющее определять степень НВ вала на любом режиме работы МДК;
-
Материалы экспериментальных исследований на стенде и натурных экспериментов судовых МДК на базе СОД.
Практическая значимость:
-проанализировано развитие КК судовых МДК на базе СОД и разработана конструкция М-Д для применения в проектно-конструкторских организациях с целью совершенствования систем искусственного демпфирования судовых МДК;
-получены расчетно-теоретические результаты использования М-Д, которые могут быть применены при проектировании, модернизации и переоборудовании судовых МДК;
-создано устройство, позволяющее определять степень НВ вала в условиях исследовательского стенда и натурных судовых МДК на различных режимах работы;
- уточнены значения степени НВ для дизелей, непосредственно работающих на гребной винт на номинальном режиме работы.
Личный вклад автора
В диссертацию включены теоретические и экспериментальные результаты, полученные лично автором. При проведении отдельных технических работ помощь оказали сотрудники ИЦ MTS, кафедры «Эксплуатации водного транспорта» АГТУ и машинная команда судна «Ватан-1», за что автор выражает им признательность.
Реализация результатов исследования.
Результаты работы переданы к использованию и внедрению в Астраханский филиал Российского Морского Регистра судоходства, Нижне-Волжский филиал Российского Речного Регистра, ООО «ВИЖН ФЛОТ»,000 «Навитранс».
Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе АГТУ при подготовке инженеров по специальности «Судовые энергетические установки», «Эксплуатация судовых энергетических установок», бакалавров по направлению «Эксплуатация транспортных средств (на водном транспорте)», магистров по направлению «Кораблестроение и океанотехника» и в научно-исследовательской работе студентов и аспирантов.
Апробация работы.
Основные положения диссертации обсуждались и докладывались на международных, всероссийских, вузовских конференциях и семинарах: II -научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин», проводимой под эгидой Института проблем машиноведения
РАН АГТУ (2004 г.); Международной конференции «Двигатель-2007», посвя
щенной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э.Баумана (г.Москва,
2007); международном научном семинаре «Перспективы использования резуль
татов фундаментальных научных исследований в судостроении и эксплуатации
флота Юга России» (г.Астрахань 2008 г.); межрегиональных семинарах «Акту
альные проблемы судовой энергетики и машинно-движительных комплексов»,
проводимых под эгидой Института проблем машиноведения РАН (г.Астрахань,
2003-2008 гг.), научной конференции посвященной 75-летию АГТУ (2005г.);
ежегодных научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава АГТУ(2003-2008гг.); заседаниях Ученого совета Института Морских технологий энергетики и транспорта АГТУ; заседаниях кафедры «Эксплуатация водного транспорта» АГТУ. Часть диссертационной работы «Экспериментальное определение степени неравномерности вращения вала модельной экспериментальной установки» заняла третье место в конкурсе инновационных научно-исследовательских работ профессорско-преподавательского состава и сотрудников АГТУ.
Публикации:
Результаты исследований опубликованы в 9 работах, в том числе 3 свидетельства Роспатента на полезную модель и 3 по списку ВАК.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. Глава 1 «Современное состояние вопроса. Постановка цели и задач исследований». Основные результаты изложены в главах 2-4 Глава 2: «Разработка конструкции М-Д и расчетно-теоретическое исследование гашения КК в судовых МДК с М-Д». Глава 3: «Результаты расчетно-экспериментального исследования гашения КК исследовательского стенда с силиконовым демпфером, с М-Д». Глава 4: «Экспериментальное определение степени НВ вала исследовательского стенда и судового валопровода»
В целом диссертация содержит 118 страниц текста, 64 рисунка, 26 таблиц, список использованных источников из 126 наименований.
Оценка состояния вопроса, анализ развития крутильных колебаний судовых МДК (на примере испытаний, проведённых испытательным центром MTS)
Предлагаемое демпфирующее устройство, устанавливается между дизелем и потребителем энергии, например, валом гребного винта. Устройство выполняется в виде промежуточного вала, соединяющего вал дизеля и вал винта, на котором устанавливаются один или два дополнительных груза. Во втором случае грузы смещены относительно друг друга в осевом направлении и между ними устанавливается дополнительная опора для промежуточного вала. Груз имеет вид разрезной втулки, которая крепится на промежуточном валу вблизи соединительных муфт, например, фланцевых. Диаметр промежуточного вала выбирается из условия обеспечения прочности при рабочей нагрузке. [122]
Развитие КК влияет и на неравномерность вращения (НВ) валов МДК. НВ характеризуется степенью НВ. В литературных источниках отсутствует анализ связи КК со степенью НВ, а ориентировочные допускаемые значения этого показателя в различных источниках отличаются более чем на 30%[18,32,59,65,82,83,92,98,99,107].
Проведён анализ окончательных заключений о торсиографировании (тен-зометрировании) главных дизелей с прямой передачей мощности на винт по материалам ИЦ MTS. Данные заключения принимаются к сведению Астраханскими инспекциями MP и PP. Заказчиками торсиографирования (х/д) являются судовладельцы ПОАО «Волготанкер», ООО «СКАЛ», 000 «Аншип» г. Москва, ООО «Коммодор» г. Санкт-Петербург, 000 «МОРРЕЧТРАНС», ПООО «БЭСТ», ООО «Сафинат Ремо Шипп», ИП 000 «ВТС-Транс», 000 «ВИЖН ФЛОТ» и др. В условиях Волго-Каспийского бассейна широкое распространение получили суда, в состав МДК которых входят шестицилиндровые дизели типа NVD-48 с прямой передачей мощности на винты фиксированного шага. Это суда проекта 1570 (нефтерудовозы «Братья Нобель», «Барон», «Граф», «Нефтерудовоз 31М» и другие), нефтеналивные суда проекта 621 («Ленанефть -2070», «Лена-нефть -2069», «Анна»), сухогрузы проекта 1557 («Ватан-1», «Сормовский -27», «Вилламун»), сухогруз проекта 1743 «Омский -99», сухогруз проекта 19620 «Богсан-4»(СТ-1317) и другие.
Распространены также суда в состав МДК которых входят восьмицилиндровые дизели типа NVD-48 с прямой передачей мощности на винты фиксированного шага. Это нефтеналивные суда проекта 630 («Казань сити», «Капитан Пермяков», «Капитан Щемилкин» и др.), нефтеналивные суда проекта 1577 («Волгонефть-268», «Волгонефть -263», «Механик Воронков»), сухогрузы проекта 19610 («Дюрсо», «Мысхако», «Торик» и др.), РМС типа Каспий («Капитан Евсеев», «Печора»), нефтеналивное судно проекта 550 А «Волгонефть-147» и другие.
На всех МДК судов данных проектов ИЦ MTS проводилось торсиографирова-ние (тензометрирование) с участием автора. Проанализировано развитие КК данных МДК как с демпфером, так и без него. Расчет КК проводился по методике Терских В.П.
Графики развития амплитуды носового конца коленчатого вала, графики развития напряжений в коленчатых, промежуточных и гребных валах судовых МДК без демпфера, с демпфером представлены в приложении А.
Анализ показал, что для судовых МДК с шестьюцилиндровыми главными дизелями, как с силиконовыми демпферами, так и без них суммарные напряжения от КК в коленчатых валах данных дизелей, промежуточных и гребных валах не превышают допустимых величин во всём рабочем диапазоне частот вращения главных дизелей. Запретные зоны не устанавливаются.
В шести случаях из десяти для судовых МДК с восьмьюцилиндровыми главными дизелями, суммарные напряжения от КК в гребных валах опасно близки к допускаемым или превышают их. В диапазоне частот вращения KB главных дизелей устанавливают запретные зоны или сохраняют без изменений запретные зоны, назначенные с постройки, хотя дизели оборудовались силиконовыми демпферами марки (В-790). Основные выводы: -установка демпфера с носового конца коленчатого вала дизеля не всегда приводит к эффективному снижению амплитуд (соответственно и напряжений) от КК; - в некоторых МДК нет необходимости в установке демпферов.
Цель - повышение эффективности гашения КК в судовых валопроводах, , устранение запретных зон из рабочего диапазона частот вращения МДК, упрощение конструкции дизельной установки и оценка НВ валопровода при использовании маховиков-демпферов.
Задачи исследования: -на основе расчетных и экспериментальных (на базе материалов ИЦ MTS) исследований судовых валопроводов провести анализ развития КК в валах МДК на базе СОД мощностью 475-970 кВт, частотой вращения 125-428 об/мин; -разработать конструкцию маховика-демпфера; -провести расчетно-теоретический анализ развития КК в судовых валопроводах с М-Д, установленным в различных местах валопровода; -модернизировать исследовательский стенд ИЦ MTS, позволяющий изменять место установки М-Д; -выполнить экспериментальные исследования с демпфером, с М-Д на исследовательском стенде; -предложить способ определения степени НВ валопровода с учетом КК; -выполнить экспериментальные исследования по определению степени НВ вала на исследовательском стенде без демпфера, с демпфером, с М-Д; -провести натурные испытания судовых МДК по оценке работоспособности силиконовых демпферов главных дизелей и определить влияние КК на степень НВ.
Расчетно-теоретическое исследование гашения крутильных колебаний в судовых МДК с маховиком-демпфером
Демодулятор-декодер блок состоит из двух демодуляторов-декодеров модулей DC1D/IFM/1, каждый из которых имеет широкую полосу частот «wideband» и «low-pass» аналоговое выходное напряжение плюс 1/О-модуль, позволяющий непосредственно подсоединяться к компьютеру. Все это помещено в жестком корпусе CF1/2, который имеет универсальное сетевое питание.
Демодулятор/декодер модуль DC1D/IFM/1. Во время эксплуатации сети DC ID сначала демодулируют низкий уровень 10,7 mHz Fm-сигнала, полученного от индуктивной головки или петли.
Волнообразный сигнал обрабатывается, и амплитуда ограничивается для восстановления серийного РСМ сигнала, полученного от трансмиттера, который далее конвертируется в 16 бит параллельных данных - 12 бит измерения и 4 бит — номер канала. Эти данные передаются к двум DAC цифровые в аналоговые конверторы, посредством чего реконструируются эти волнообразные аналоговые напряжения - один сигнал от деформации и один - от питания напряжения трансмиттера. Низкочастотные фильтры снимают перепад напряжения от DAC выходного сигнала с помощью 7-полюсного постоянного фильтра для сигнала от деформации и простого RC низкочастотного фильтра, который питает трансмиттер. Дальнейшей обработке выходной сигнал от деформации подвергается с помощью регулировки нулевого (zero) и уровня выходного сигнала (output level) выходным буферным усилителем и вторым буферным усилителем, в который включен выход very low-pass фильтрования. Широкая полоса частот «wideband» и «низких частот» выбирается с помощью переключателя и передается к гнезду для входного напряжения BNC на передней панели. Напряжение питания трансмиттера также подвергается буферным воздействиям и выходной сигнал выводится на переднюю панель DC ID блока.
Дополнительно к напряжению питания «supply volts» BNC, на передней панели расположен потенциометр с 10 положениями застопоривания для контроля нулевого «zero» и уровня выходного сигнала «output level». Красный светодиод «Led» лампочка для включения «Power on» и два зеленых «Led» светодиод лампочки - уровень сигнала «signal level», что показывает сильный
RF-сигнал, когда горит, и «Данные достоверные (data valid)», который, когда горит показывает, что данные достоверные и питание трансмиттера превышает минимально допустимое, необходимое для работы напряжение. Диапазон нулевого регулирования является ±20% от полной шкалы, регулирование уровня выходного сигнала лежит в пределах ±0V.. .±5V.
Серия I/O модуля (интерфейсная карта). Этот модуль осуществляет RS232 или RS485 связь с компьютером через поставленный серийный кабель.
Поставляемый программный продукт позволяет одновременно выводить на дисплей информацию по обоим каналам и сохранять полученные данные в файл.
Датчиком в этой аппаратуре является тензометр сопротивления - фольговые тензорезисторы, предназначенные для измерения деформаций деталей машин и конструкций. Применение тензометров для исследования напряженного состояния основано на изменении относительного электрического сопротивления проволоки AR/R при относительной ее деформации Л1/1. Отношение (AR/R)/(A1/1) называется коэффициентом тензочувствительности.
Применяются фольговые тензодатчики (рисунок 3.9) в виде решетки, имеющей базу 3-20 мм и изготовленной травлением из тонкой константано вой фольги толщиной 0,001—0,01 мм. По сравнению с проволочными, фоль говые датчики лучше приклеиваются к валу и допускают большую плотность тока, так как площадь соприкосновения их с поверхностью детали больше. Кроме того, ширина поперечных полосок этих датчиков существенно больше, чем у продольных полосок, и поэтому фольговый датчик менее чувствителен к поперечным деформациям, а утолщение концов датчика делает более надеж ной припайку выводных проводников. База тензометр і Схема тензодатчика Точность и надежность работы тензодатчиков в значительной мере зависит от качества их наклейки.
Датчики, предназначенные для наклейки, подбирают так, чтобы разница в величинах их омического сопротивления не превышала ±0,1%. Для уменьшения искажающего влияния изменения температурных условий и деформации вала от различного рода изгибающих усилий необходимо наклеивать на вал не один, а четыре тензометра под углом 90 друг по отношению к другу и под углом 45 по отношению к оси вала (как показано на рис. ЗЛО).
Способ наклейки и сушки датчиков зависит от их основы и применяемого клея. При применении современных универсальных клеев с цианокрилатной основой (типа «Супер момента») на испытываемый вал и на нижнюю сторону основания датчика наносят возможно более тонкий слой клея и после легкого просушивания, прижимают тензодатчик к поверхности вала (при этом под выводные концы подклеивают дополнительную полоску бумаги). Прижатие должно быть как можно более равномерное, чтоб не допустить деформацию тензодатчиков при наклейке, что в свою очередь может привести к нарушению баланса тензометрического моста. Фирма-производитель рекомендует в этом случае применять бязь с намоткой в 4 слоя.
После наклейки тензодатчиков на испытуемый вал с помощью специальных стальных стяжек крепится трансмиттер и батарея питания (рисунок 3.10).
На резиновой подкладной полосе на вал устанавливается круговая антенна. Все оборудования коммутируется путем пайки согласно инструкции по эксплуатации. В районе круговой антенны устанавливается приемная головка. После монтажа и коммутации всего оборудования проверяется правильность и качество установки измерительного комплекса путем проворачивания валовой линии.
Порядок проведения испытаний на стенде
Испытания проводились в соответствии с расчетными исследованиями, глава 3.2 и расчетом свободных колебаний крутильной системы исследовательского стенда. На распределение точек по кривой функциональной характеристики модельного демпфера оказывает влияние основные свойства: момент инерции и коэффициент снижения амплитуд. Определение этих свойств производим в следующей последовательности: - предварительно определяем продолжительность импульса TV Изменяя продолжительность цикла, производим запись тензограмм. Время изменения продолжительности цикла Тц фиксируем в черновом протоколе; - анализируем полученные тензограммы, с целью определения продолжительности импульса Т], соответствующей резонансу; - с учетом того, что при скважности равной двум, амплитуда возмущающего момента становится максимальной, принимаем продолжительность токового импульса Ті — постоянной, для данного состояния крутильной системы; -определяем амплитудно-частотные характеристики крутильной системы исследовательского стенда, используя полиметилсилоксановую жидкость с различной вязкостью. При постоянной Т] и изменяя Тц, с шагом 1 мс и с учетом того, что режим колебаний установившийся, производим запись тензограмм, и показаний приборов, которые заносим в протокол; - обработка тензограмм. Из полученных тензограмм, при установившемся режиме колебаний, определяем максимальную амплитуду и соответствующую частоту колебаний; - построение функциональной характеристики модельного демпфера. Из амплитудно-частотной характеристики модельного демпфера на графике, зависимости амплитуды от продолжительности цикла Тц (N-частоты колебаний), строим функциональную характеристику в виде графика A(N) по которой определяем его функциональные свойства. На первом этапе производились экспериментальные исследования с целью определения резонансных частот одно-, двух-узловых форм КК. Сформированный возмущающий электромагнитный момент ЭД подбирался и сравнивался по продолжительности импульса и скважности так, чтобы крутильная система стенда входила в резонанс.
Далее определялась и сравнивалась функциональная характеристика силиконового демпфера (СД) и М-Д.
Функциональная характеристика представляется как функция изменения максимальной амплитуды от соответствующей частоты колебаний в зависимости от вязкости наполнителя и от конструкционных изменений СД.
Использовались полиметилсилоксановые наполнители различной вязкости (750-50000 сСт), что позволило определить гашение КК при оптимальной вязкости. Наиболее опасной является одноузловая форма колебаний. Относительно данной формы колебаний и проводился расчет, который подтверждался экспериментом.
Частота колебаний, Гц 25 Рис. 3.13- Функциональная характеристика СД, установленного перед ЭД На рис. 3.14 показаны функциональные характеристики М-Д при его расположении: после ЭД, рядом с ГПТ и перед ЭД.
Функциональная характеристика М-Д представляет прямую линию ввиду большого момента инерции корпуса М-Д. я
Измерения, которые ведутся при испытаниях, как бы тщательно и точно они не выполнялись, всегда содержат погрешности. Учет погрешностей является важным элементом обработки результатов испытаний.
Все погрешности при проведении измерений разделяются на три категории. К первой категории относятся погрешности систематические с постоянным знаком (плюс или минус), которые остаются постоянными или закономерно изменяющимися при повторных измерениях одной и той же величины. В зависимости от источника возникновения систематическая погрешность может вызываться методическими, инструментальными или субъективными факторами. При обработке полученных данных систематические погрешности могут быть устранены введением в расчет поправок, учитывающих погрешности в измерениях. Во время проведения экспериментов была проведена поверка приборов и в результате, по ходу их обработки, была введена систематическая погрешность и введена соответствующая поправка. Вторая категория включает грубые погрешности измерений - это погрешности, существенно превышающие ожидаемые при данных условиях. Причиной грубой погрешности могут быть кратковременное изменение питающего напряжения, неправильный отсчет показаний прибора и т. д. Результаты отдельных измерений считались промахом и исключались из дальнейших рассмотрений, если они отличались от среднеарифметического на величину большую, чем GSZ, где as - среднеквадратичная погрешность ряда измерений, Z - критерий Шовене зависит от числа измерений. К третьей категории относятся случайные погрешности измерений. Они возникают из-за трения в измерительных приборах, кажущегося смещения деления шкалы, вызванного изменением точки наблюдения, колебания режима во время опыта и т. д. Случайные погрешности не подчинены какой-либо закономерности и не могут быть заранее учтены.
При экспериментальном исследовании функциональной характеристики с каждым наполнителем в таблице, при условии установившегося режима КК, было оценено 10 опытных точек, а также при работе установки без демпфера, с демпфером, с М-Д, установленном в разных местах ва-лопровода стенда.
При определении функциональной характеристики демпфера, из амплитудно-частотной характеристики принимали Арез и соответствующую ей Npe3. Для оценки погрешности измерений и определения доверительного интервала применялась следующая методика [49]. Определяем по формуле абсолютные погрешности измерений АХ,: ДХ Х.-Х, (3.20), где X;-результаты измерений; х -среднее значение результатов измерений.
Экспериментальное определение степени неравномерности вращения вала модельной экспериментальной установки
Для практического определения степени НВ вала было сконструировано следующее устройство: (рис. 4.1) диск, который жестко крепится к фланцам вала диаметром 320 мм (материал-гетинакс I 2с-3,0 ГОСТ 2718-74), имеющий сквозные прорези шириной 0,4 мм, длиной 10 мм. Угловое расстояние между прорезями составляет 5 градусов с отклонением в 5 секунд.
Одна из прорезей заклеивается, чтобы в дальнейшем можно было видеть каждый оборот и определить частоту вращения вала. В качестве отметчика используется полупроводниковый лазер (IDL5S-640) и фотодиод (ФД 320) (рис. 4.2).
Когда луч лазера проходит через прорезь, он попадает на фотодиод, тем самым возбуждает в нём Э.Д.С. Чтобы зафиксировать всплески Э.Д.С., наводимые на фотодиоде в момент прохождения луча лазера через отверстия на диске, фотодиод подключается к микрофонному входу звуковой карты компьютера. Сигнал с фотодиода записывается любой программой, способной записывать и редактировать звуковые файлы. Открывая записанный файл, получаем на графике значения амплитуд сигнала, и их время относительно начала записи файла. Программа способна фиксировать значение амплитуды с точностью до 1 микросекунды. Но шаг отметок амплитуд сигнала в создаваемом файле составляет порядка 5 микросекунд. Просматривая файл (рис. 4.3), выбираем время максимального значения амплитуды каждого всплеска сигнала. Рассчитываем разницу во времени между соседними значениями времени максимальных амплитуд сигнала. Из этого массива значений выбираем максимальное и минимальное значения разницы по времени.
Исследования проводились на экспериментальной модельной установке (электромеханическом стенде) [12,24,67,73], создающим вынужденные КК многомассовой системы с заданными параметрами.
При работе данного стенда происходит периодическое изменение вращающего момента, что приводит к отклонению мгновенной угловой скорости вала стенда от среднего значения. Эксперимент проводился на стенде при следующих вариациях: без демпфера, с СД, М-Д перед ЭД, М-Д после ЭД, М-Д перед ГПТ. Во всех случаях проводились замеры на резонансной частоте вращения вала стенда и на околорезонансных частотах вращения, как до, так и после резонансной. Диск с отверстиями жёстко крепится на фланец вала стенда около ГПТ, но в случае, когда М-Д располагается рядом с ГПТ, диск крепится на фланец вала после ЭД. График изменения степени НВ вала представлен на рис. 4.4.
ЭД; п— — кривая изменения степени НВ вала при установке М-Д перед ЭД; 0—0—0 кривая изменения степени НВ вала при установке М-Д рядом с ГПТ. В результате проведённых экспериментов выявлена следующая особенность: - при резонансе наблюдается увеличение (на 13 %) степени НВ вала. 4.3 Расчетно-экспериментальное определение степени неравномерности вращения коленчатого вала МДК судна проекта 1557 «Ватан - 1»
Максимальная допустимая степень НВ вала должна обеспечивать устойчивость работы дизеля на всех предусмотренных режимах и надёжность пуска дизеля, а также удовлетворять требованиям приемника энергии.
Большая степень НВ может повлечь за собой снижение минимальной угловой скорости до значения, при котором дизель останавливается (глохнет). Чем выше равномерность вращения вала, тем благоприятнее условия работы судового дизеля.
Следует обратить внимание на то, что дизели с высокой степенью наддува (тг=3...4), особенно малооборотные крейцкопфные, в некоторой комбинации с системой турбонаддува при постоянном давлении, имеют весьма высокую минимально устойчивую частоту вращения (до 30 % и выше номинальной) из-за недостаточной энергии газов на входе в сопловой аппарат турбины. Это в определённых условиях работы судна (маневры, прохождение каналов малым ходом) приводит к произвольной остановке дизеля. Увеличение неравномерности вращения естественно усугубляет этот его навигационный недостаток, как главного дизеля. Он заставляет управляющего судном штурмана самому останавливать дизель с прямой передачей мощности на винт на более высокой, чем минимально устойчивая частота вращения коленчатого вала и, через некоторое время, снова командовать запуск главного дизеля и давать ему нагрузку, удерживая малый ход судна без существенного превышения и снижения назначенного значения на протяжении иногда довольно длительного времени (например, при проходе в караване Суэцкого канала). Известен факт, когда большую группу судов серии «Капитан Гаврилов» пришлось значительно реконструировать с достройкой дополнительного носового трюма для обеспечения малого хода при повышенной частоте вращения коленчатого вала и мощности главного дизеля.
Установка маховика на выходном валу дизеля, его размеры, масса, момент инерции определяются решением задачи достижения определенной (допусти мой) степени неравномерности вращения вала на номинальном режиме работы дизеля. С изменением режима изменяется и степень неравномерности вращения. Наши исследования дополняют известные данные по этой теме изучением влияния на степень неравномерности вращения крутильных колебаний судового валопровода.
Натурный эксперимент проводился (11.12.2007) в условиях МДК судна проекта 1557 «Ватан-1» (рис 4.5). МДК судна проекта 1557 представляет собой двухвальные установки с дизелями фирмы «SKJL» марки 6NVD48AU (NHOM=485 кВт, пном=330 об/мин), оборудованные силиконовыми демпферами марки В-790. Проводилась оценка работоспособности силиконовых демпферов главных дизелей (тензометрирование) и осуществлялись эксперименты по определению степени НВ главного дизеля левого борта. Результаты тензометрирования МДК судна проекта 1557 представлены в таблице 4.1.
Похожие диссертации на Использование маховиков-демпферов для гашения крутильных колебаний судовых валопроводов
