Диагностическая модель фрикционного поглотителя колебаний тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Сергеев, Константин Олегович

• Сергеев, Константин Олегович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сергеев, Константин Олегович

Список условных обозначений. ы Список принятых сокращений.

Введение. Постановка задачи исследования.

Глава 1. Анализ эксплуатационных свойств фрикционных поглотителей на примере демпферов двигателей внутреннего сгорания.

1.1 .Фрикционные поглотители колебаний. Назначение и устройство.

1.2.0сновные неисправности и ресурс демпферов

Требования Регистра по определению остаточного ресурса.

1.3. Анализ методов и средств диагностики и контроля технического состояния демпферов.

1.3.1. Контроль по состоянию силиконовой жидкости.

1.3.2. Метод торсиографирования.

1.3.3. Метод прямого тензометрирования.

1.3.4. Испытание демпферов на специальных стендах.

1.4. Повышение точности и достоверности диагностики демпферов методом торсиографирования.

1.5. Методика диагностики технического состояния демпферов.

1.6. Результаты анализа исследований крутильных колебаний

СЭУ судов рыбопромыслового флота.

1.7. Выводы к первой главе

Глава 2 Разработка виброизмерительного стенда для испытания макета фрикционного поглотителя.

2.1. Конструкция стенда.

2.2. Тарировка измерительной аппаратуры стенда.

2.3. Программа и методика испытаний.

2.4. Результаты испытаний.

2.4.1. Анализ кривых развития колебаний.

2.4.2. Результаты измерений амплитуд колебаний.

2.4.3. Влияние зазора между маховиком и корпусом демпфера.

2.5. Выводы ко второй главе.

Глава 3 Моделирование работы силиконового демпфера.

3.1. Постановка задачи теоретического исследования фрикционных поглотителей.

3.2.Исходные положения для математической модели фрикционного поглотителя.

3.3. Основные формулы математической модели фрикционного поглотителя.

3.4. Основные формулы математической модели фрикционного поглотителя для системы с крутильными колебаниями

3.5. Методика расчета фрикционного поглотителя для системы с крутильными колебаниями.

3.6. Проверка адекватности модели фрикционного поглотителя для системы с крутильными колебаниями

3.7. Выводы к третьей главе.

Глава 4. Разработка математической модели коленчатого вала ДВС с демпфером крутильных колебаний.

4.1 .Постановка задачи.

4.2. Составление математической модели коленчатого вала ДВС с демпфером крутильных колебаний.

4.3. Выводы к четвертой главе.

Глава 5 Совершенствование методов диагностирования демпферов ДВС на судне и специальном стенде.

5.1. Анализ факторов определяющих ресурс демпфера крутильных колебаний и методов их диагностирования.

5.2. Основные характеристики испытательного стенда.

5.3. Выводы к пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диагностическая модель фрикционного поглотителя колебаний»

Для борьбы с опасными колебаниями в технике широко применяются специальные устройства, которые принято называть успокоителями или поглотителями колебаний. Являясь средством повышения надежности машин, они сами требуют периодического контроля состояния для предупреждения отказов. Это положение подтверждается опытом эксплуатации и диагностирования жидкостных (силиконовых) демпферов крутильных колебаний судовых дизелей. В связи отработкой их назначенных ресурсов по заданию Главного управления морского Регистра судоходства при участии соискателя проведена большая работа по обоснованию и внедрению стандартной методики диагностирования демпферов судовых дизелей. На стадии практического применения указанной методики была выявлена необходимость установления зависимости резонансных колебаний поглотителя от характеристик фрикционной связи и построения на этой основе диагностической модели фрикционного поглотителя вообще и жидкостного демпфера, в частности. Актуальность этой теоретической проблемы связана с тем, что ее нельзя считать до конца решенной даже в трудах основоположников теории колебаний С.П. Тимошенко, Ден-Гартога, С. П.Терских, П.А. Истомина. [10,22,23, 25,27]

Таким образом, актуальность темы данной диссертационной работы обуславливается необходимостью расчетно-экспериментального обоснования диагностической модели фрикционного поглотителя колебаний на примере силиконового демпфера крутильных колебаний судовых дизелей. Тем более что, указанная выше методика диагностики, принятая Морским Регистром России в качестве руководящего документа основана на статистическом подходе, а методики диагностики, построенной на понимании механизма изменения демпфирующих свойств поглотителя колебаний по мере выработки ресурса, не существует и в настоящее время.

Таким образом, задачами настоящей работы являются:

1. выполнение аналитического обзора исследований, проведенных с участием соискателя при разработке методики для Морского Регистра, с целью обоснования диагностических параметров, определения оптимального метода проведения измерений при диагностике демпферов, анализа их надежности и выявления недостатков указанной методики;

2. разработка экспериментального стенда, подобного реальной крутильной системе силовой установки, для исследования макета фрикционного поглотителя колебаний с целью определения зависимостей между резонансными амплитудами системы и характером фрикционной связи в поглотителе;

3. обоснование диагностической модели фрикционного поглотителя колебаний связывающей величину резонансных амплитуд крутильной системы с величиной демпфирования в поглотителе, в основу которой положена гипотеза о зависимости демпфирования от доли массы маховика поглотителя, присоединенной к основной массе системы;

4. создание модели работы системы демпфер - двигатель на основе разработанной общей модели фрикционного поглотителя колебаний и изучение с ее помощью закономерностей и возможных причин изменения со временем диагностических параметров демпфера;

5. разработка рекомендаций по совершенствованию средств и методов диагностирования демпферов, основанных на анализе диагностической модели системы демпфер - двигатель, как на судне, так и на стенде (с разработкой его параметров).

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Сергеев, Константин Олегович

5.3. Выводы к пятой главе Основываясь на уравнениях диагностической модели коленчатого вала двигателя с демпфером, были (по значениям реальных параметров) получены и проанализированы:

• зависимость изменения резонансных амплитуд при отклонении от инвариантной точки;

• зависимость работы трения от коэффициента затухания;

• влияние внешнего трения па значение резонансных амплитуд;

• зависимость коэффициента затухания и резонансной работы трения, как функций от доли присоединенной массы маховика демпфера.

Наибольший интерес с диагностической точки зрения имеют первая и последняя из полученных зависимостей. Первая показывает, что изменение амплитуд при отклонении от инвариантной точки (оптимального положения на которое рассчитан демпфер) имеет различную скорость, а само увеличение амплитуд оказывается значительно меньшим, чем ожидаемое по изменению коэффициента затухания значение. Так как отклонение вправо и влево от инвариантной точки вызывается различными неисправностями, то и скорость изменения амплитуд зависит от вида неисправности, а различная скорость изменения указывает на их разную опасность для демпфера.

Последняя зависимость показывает, что скорость изменения кривой работы трения при значительном отклонении (более 0,8/* и менее 0,2р) демпфирования от оптимального значения имеет сильно нелинейный характер, что может в процессе эксплуатации привести к мгновенной потере демпфирующих свойств из-за заклинки маховика или потери с ним фрикционной связи. Указанная зависимость может служить основой для выбора допустимых пределов изменения демпфирующих свойств, без риска получения внезапного отказа во время эксплуатации демпфера.

Не маловажным является и выявление степени влияния внешнего трения на значение резонансных амплитуд. В обычной практике диагностирования демпферов этот фактор не учитывается, что приводит иногда к противоречивым результатам.

Полученные зависимости позволяют сформулировать требования по повышению точности диагностирования демпферов, к которым следует отнести:

1. проведение диагностирования с использованием в качестве диагностического параметра амплитуд резонансных колебаний моторной формы так, как диагностика, основанная на измерении вязкости силиконовой жидкости, не обладает необходимой чувствительностью;

2. учет, при определении технического состояния демпфера, демпфирования вне поглотителя колебаний, в том числе и вклад конструкционного демпфирования из-за ослабления затяжки болтов и ослабления посадок (проводить перед работами по диагностированию соответствующий контроль);

3. учет характера кривой (рис.42) из поведения которой следует, что после изменения параметра р, (увеличения из-за накопления продуктов износа, или уменьшения из-за потери жидкости) до определенной величины, возможно резкое нарушение работоспособности демпфера (заклинка массы маховика или полная потеря ее связи с корпусом);

4. использование, при диагностике демпферов, специальных стендов (примерная конструкция такого стенда дана в этой главе), не имеющих погрешностей от демпфирования вне поглотителя колебаний.

107

Заключение

В диссертационной работе автором обоснована необходимость и выполнены экспериментальные и теоретические исследования по разработке диагностической модели фрикционного поглотителя колебаний на примере вязкостного силиконового демпфера. К необходимости разработки указанной диагностической модели привели аналитические исследования надежности судовых демпферов, проведенные, при участии соискателя, в период разработки методики диагностирования демпферов для Морского Регистра.

При выполнении работы получены следующие основные результаты:

1. Статистический анализ надежности демпферов (на базе изучения работоспособности более ста демпферов трех типов судов) показал, что методики диагностики, основанные на статистическом подходе, могут давать достаточно надежный прогноз надежности демпфера, но не раскрывают механизм деградации демпфера в процессе работы. Демпфера одинакового типа, установленные на разные типы двигатели, могут иметь различный ресурс, то есть разную надежность. Кроме этого, однотипные демпфера, установленные на одинаковые типы двигателей и суда одного проекта так же могут иметь различный ресурс, причем, после отработки гарантированного изготовителем срока, время работы демпфера до отказа может быть разным и плохо прогнозируемым. Не решены проблемы оценки причин тренда диагностических параметров со временем на конкретном судне и различного уровня надежности демпферов на судах разных типов, потому эти методики не могут прогнозировать поведение демпфера на конечном этапе срока службы.

2. Для повышения точности существующих методик выбран диагностический параметр - резонансные амплитуды моторной формы, и определен метод его измерения - торсиографирование.

3. Разработан специальный стенд с макетом демпфера, воспроизводящий соотношения реальной силовой установки. На стенде проведены опыты по изучению зависимости резонансных амплитуд и частот от величины демпфирования. Построены и проанализированы графики развития резонансных амплитуд основной массы стенда и массы маховика макета демпфера относительно основной массы в зависимости от величины трения в поглотителе колебаний. Кривые полученных зависимостей имеют сложный вид с явно выраженным экстремумом (минимумом), причем амплитуды колебаний возрастают при отклонении от точки минимума вправо и лево с различной крутизной. Определен диапазон изменения частот резонансных колебаний при изменении фрикционной связи между массами стенда, зарегистрированы кривые колебаний массы стенда и кривые перемещения маховика макета демпфера относительно массы стенда, определены величины фазового сдвига колебаний указанных масс в зависимости от величины и характера трения в макете. Проанализирован характер развития колебаний (при различных видах трения) на разных стадиях процесса.

4. Разработана диагностическая модель поглотителя колебаний к необходимости которой привели результаты анализа экспериментальных данных, полученных на стенде. В теоретической модели, разрабатываемой на основе общих представлений, была впервые принята, а затем и подтверждена, гипотеза о том, что принцип действия фрикционного поглотителя колебаний связан с присоединением к главной массе системы М некоторой доли р массы поглотителя т по мере изменения коэффициента затухания с. Указанное положение имеет большое теоретическое и практическое значение.

Модель поглотителя представлена в виде упругой системы с одной степенью свободы с переменной по величине эквивалентной массой Ме(р). Под эквивалентной массой (моментом инерции) Ме(р) понимается масса (момент инерции) колебательной системы с присоединенной к ней частью массы маховика, причем величина присоединенной части маховика определяет не только амплитуду колебаний системы, но и эквивалентный коэффициент затухания системы. Математически модель работы фрикционного поглотителя колебаний (в том числе и силиконового демпфера) получена в виде формулы связывающей амплитуду колебания системы Х\ со значением эквивалентного коэффициента затухания Се одно - массовой системы с поглотителем. В свою очередь эквивалентный коэффициент затухания Се представлен, как функция от величины затухания поглотителя СС (р), который определяется величиной присоединенной массы маховика р. Адекватность модели подтверждена совпадением теоретических результатов с практическими данными полученными на стенде.

5. Указанная выше диагностическая модель была распространена на реальную систему демпфер - двигатель. Предложен метод приведения много - массовой системы реальной силовой установки (на примере восьмицилиндрового дизеля) к эквивалентной одно - массовой системе путем определения эквивалентной жесткости вала и расчета эквивалентного момента инерции. Предложена формула для определения демпфирования вне двигателя, величина которого входит в формулу диагностической модели. Получены, для модели конкретной силовой установки, закономерности развития резонансных кривых при разных значениях коэффициента затухания, позволяющие определять изменение диагностических параметров при различных состояниях фрикционной связи. В процессе исследований было корректно обоснованы точные выражения для оценки всех характеристик динамического поглотителя колебаний, включая координаты инвариантных точек. Полученные зависимости позволили:

• объяснить принцип работы фрикционного поглотителя колебаний (в том числе и силиконового демпфера ДВС) и показать, что эффективная работа демпфера соответствует присоединению к главной массе системы Уг массы маховика демпфера за счет создания соответствующей фрикционной связи;

• доказать, что выбор типа фрикционной связи не имеет принципиального значения для обеспечения требуемого затухания в инвариантной точке;

• показать, что при моделировании работы фрикционного поглотителя колебаний необходимо учитывать и демпфирование вне поглотителя, то есть демпфирование в самой колебательной системе.

6. Получены и проанализированы (основываясь на уравнениях диагностической модели коленчатого вала двигателя с демпфером для реальной силовой установки) закономерности:

• изменения резонансных амплитуд при отклонении от инвариантной точки;

• работы трения от коэффициента затухания;

• коэффициента затухания и резонансной работы трения, как функции от доли присоединенной массы маховика демпфера;

• влияния внешнего трения на значение резонансных амплитуд.

Полученные закономерности позволили сформулировать требования по повышению точности диагностирования демпферов, к которым следует отнести:

• проведение диагностирования с использованием в качестве диагностического параметра амплитуд резонансных колебаний моторной формы так, как диагностика, основанная на измерении вязкости силиконовой жидкости, не обладает необходимой чувствительностью (указанное положение еще раз подтверждает правильность сделанного раннее выбора диагностического параметра и метода его измерения);

• учет, при определении технического состояния демпфера, демпфирования вне поглотителя колебаний, в том числе и вклад конструкционного демпфирования из-за ослабления затяжки болтов и ослабления посадок (проводить перед работами по диагностированию соответствующий контроль);

• учет характера кривой (рис.42) из поведения которой следует, что после изменения параметра р, (увеличения из-за накопления продуктов износа, или уменьшения из-за потери жидкости) до определенной величины, возможно резкое нарушение работоспособности демпфера (заклинка массы маховика или полная потеря ее связи с корпусом);

• использование, при диагностике демпферов, специальных стендов, не имеющих погрешностей от демпфирования вне поглотителя колебаний.

7. Предложена конструкция компактного стенда для диагностирования демпферов и дана методика определения его конструктивных параметров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сергеев, Константин Олегович, 2005 год

1. Агуреев А. Г., Баршей Ю.С. Крутильные колебания и надежность судовых валопроводов. М.: Транспорт, 1982 .- 111 с.

2. Алексеев В. В., Г. Д. Болотин Демпфирование крутильных колебаний в судовых валопроводах. Л.:Судостроение, -1973 - 279 с.

3. Адлер Ю.П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. -278с.

4. Крутильные колебания валопроводов судовых установок/ В.В. Алексеев, Г.И. Бухарина, К.Н. Пахомов, В.П. Терских// Труды ЦНИИ им. Акад. А.Н. Крылова. Вып. 257. JI.,1970.

5. Алексеев В.В., Терских В.П. Теория и метод расчета нелинейного силиконового демпфера крутильных колебаний с упругим креплением его ступицы к валу // Изв. вузов СССР. №3.- М., 1966 -С. 129-132

6. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике./ М.: Госстройиздат, 1961.-325 с.

7. Бухарина Г.И. Демпфирование в поршневых двигателях при резонансных крутильных колебаниях // Труды ЛПИ. № 20. Л., 1965. -С. 140-148.

8. Бухарина Г. И. Демпфирование резонансных крутильных колебаний в масляном слое подшипников скольжения // Труды ЛПИ № 264. -М.-Л., 1966.-С. 56-62.

9. Ден-Гартог Д. П. Механические колебания. М.: ГИФМЛ, 1960.580 с.

10. Ефремов JI. В. Практика инженерного анализа надежности судовой техники. Л.: Судостроение, 1980. 147 с.

11. Ефремов Л.В. Особенности диагностирования демпферов крутильных колебаний ДВС// Тезисы 8-й НТК МГТУ. Мурманск, 1997. -С.36-38

12. Ефремов Л.В. Попов Р. К., Номограмма для диагностирования технического состояния демпфера// Тезисы 9-й НТК МГТУ. -Мурманск, 1998. С. 34-32.

13. Ефремов Л.В. Приближенные формулы для расчета запретной зоны оборотов // Регистр СССР: Научно-технический сборник. Вып. 2. -Л, 1972. -С.146-153

14. Ефремов Л.В. Расчет колебаний валопроводов методом "цепных дробей" в системе электронных таблиц EXCEL// Тезисы 9-й НТК МГТУ. Мурманск, 1998.-С. 435-437.

15. Ефремов Л.В., Боянжу А. В. Анализ причин низкой надежности демпферов главных двигателей судов типа "Атлантик 333"// Тезисы 9-й НТК МГТУ. - Мурманск, 1998. С.440-442.

16. Ефремов Л.В., К. О. Сергеев. Статистическая проверка методики оценки долговечности демпферов. ДВС. // МГТУ Тезисы десятой научно-технической конференции. Мурманск, 1999.-С. 446-448.

17. Ефремов Л.В., Сергеев К.О. Приборное и программное обеспечение для диагностики технического состояния демпферов // МГТУ. Тезисы десятой научно технической конференции. - Мурманск, 1999.- С.444-446

18. Истомин П. А. Динамика судовых двигателей внутреннего сгорания. JL: Судостроение, 1964,- 288 с.

19. Истомин П. А. Крутильные колебания в судовых ДВС. JL: Судостроение, 1968. 303 с.

20. Конструктивное демпфирование в неподвижных соединениях/ Н.Г. Калинин. Ю.А., Лебедев, В.И. Лебедева, Я.Г. Пановко, Н.Г. Страхов. Рига.: Изд. АН Латв. ССР, 1960. - С.86-88.

21. Лурье И.А. Крутильные колебания в дизельных установках. М.- Л.: Военмориздат, 1940. 386с.

22. Отчет о НИР "Обеспечение надежности судового оборудования" № ГР 01960011584. Инв. № 0298.0 004932. МГТУ, Мурманск 1998.420 с.

23. Отчет по НИР "Разработка методики по диагностированию, оценке надежности и определению остаточного ресурса демпферов крутильных колебаний судовых ДВС.- МГТУ, Мурманск 2000.-360 с.

24. Терских В. П. Крутильные колебания валопровода силовых установок. Исследования и методы расчета. Т. 1., 1969; Тт. II IV , 1970; Приложение, 1971. Л.: Судостроение.

25. Сахаров А.Б. Защита судовых валопроводов от крутильных колебаний. М.: Транспорт, 1982. 115 с.