Исследование функциональных свойств силиконовых демпферов судовых дизелей для решения задач диагностики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Глухов, Андрей Николаевич

• Глухов, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Глухов, Андрей Николаевич

Перечень принятых условных обозначений и символов Введение

1 Обзор и синтез материалов о технической диагностике сили- 9 коновых демпферов крутильных колебаний. Постановка целей и задач исследований

1.1 Актуальные проблемы в области крутильных колеба- 9 ний, их значение в диагностике систем демпфирования

1.2 Оценка состояния вопроса, определение работоспособ- 13 ного состояния СД при техническом обслуживании судовых МДК и ремонте СДВС (на примере исследований проведённых испытательным центром MTS).

1.3 Ретроспективный (систематический анализ по степени 20 значимости) экспериментальных исследований систем с демпфером на стендах и судовых МДК.

1.3.1 Исследование крутильных колебаний судовых 20 МДК с демпфером.

1.3.2 Исследование крутильной системы с силиконо- 21 вым демпфером на стендах.

1.4 Анализ конструкции силиконовых демпферов крутиль- 24 ных колебаний

1.5 Анализ и описание существующих установок для ис- 27 следования параметров демпфирования и крутильных колебаний.

1.5.1 Крутильно-вибрационные стенды без вращения 27 исследуемого типового узла.

1.5.2 Крутильно-вибрационные стенды с вращением 29 исследуемого агрегата и некоторые результаты экспериментальных исследований

1.6 Постановка целей и задач исследований.

Глава 2 Научно-технические положения моделирования и расчетно- 36 аналитическое исследование демпфирования крутильных колебаний в установках с силиконовым демпфером

2.1 Научно-технические положения моделирования кру- 36 тильных колебаний

2.2 Расчетное исследование качественной характеристики 41 демпфирования крутильных колебаний

2.3 Постановка целей и задач расчетно-экспериментальных 48 исследований.

2.4 Выводы по главе

Глава 3 Исследовательский стенд моделирования крутильных колеба- 50 ний

3.1 Описание и принцип работы исследовательского стенда

3.2. Описание, характеристики элементов и электронного 53 оборудования исследовательского стенда

3.2.1 Модельный силиконовый демпфер

3.2.2 Функциональные схемы электронного оборудо- 54 вания стенда.

3.2.3 Описание электрооборудования стенда.

3.3 Описание, характеристики контрольно измерительной 60 и регистрирующей аппаратуры

3.3.1 Описание ротативной системы телеметрии 60 фирмы «Astech Electronics» и её монтаж

3.3.2 Описание и принцип работы чувствительного 65 устройства (торсиографа)

3.3.3 Описание кинокамеры СКС-1м и её техниче- 69 ские показател

3.4 Полиметилсилоксановые жидкости ПМС-Ж, приме- 71 няемые в экспериментальных исследованиях

3.5 Порядок проведения опытов на исследовательском 77 стенде

Гттавя 4 7Я

Расчетно-экспериментальное исследование функциональной характеристики и свойств модельного силиконового демпфера на исследовательском стенде

4.1 Порядок проведения экспериментальных исследований функциональной характеристики и свойств модельного демпфера на исследовательском стенде

4.2 Расчетно-экспериментальное исследование функциональных свойств и функциональной характеристики модельного демпфера.

4.2.1 Расчетное определение параметров крутильных колебаний исследовательского стенда

4.2.2 Определение работы возмущающих моментов в исследовательском стенде

4.2.3 Определение работы демпфирующих сопротивлений в исследовательском стенде

4.2.4 Результаты расчетных и экспериментальных ис- ^ следований

4.3 Оценка погрешности результатов измерений

4.4 Экспериментальное исследование функциональных свойств и взаимодействия инерционной массы и корпуса модельного демпфера

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование функциональных свойств силиконовых демпферов судовых дизелей для решения задач диагностики»

Крутильные колебания вала, возможны в установках с любым поршневым двигателем, из-за воздействия гармонических составляющих крутящего момента. Эти колебания становятся особенно сильными в районе резо-нансов возмущающих крутящих моментов двигателя с собственными крутильными колебаниями валовой системы. [55]

Впервые с явлением крутильных колебаний столкнулись в 1900 г. Бауер указал на некоторые особенности и опасность крутильных колебаний, Гюмбель и Фрам 1901-1902 г. описали два случая поломки валов на пароходах. 1901 Фрит и Лэмб опубликовали работу, в которой отмечались поломки в генераторных установках. [46]

С появлением много цилиндровых двигателей внутреннего сгорания и повышением числа оборотов, вопрос о крутильных колебаниях стал в центре внимания. В 1916 разработан и широко применятся в исследованиях торсиограф Гейгера. В это же время начинают использовать демпферы крутильных колебаний, одним из первых считается демпфер постоянного (сухого) трения Ланчестера.

В настоящее время известны различные по конструктивным признакам демпферы, и антивибраторы. В большинстве случаев с целью уменьшения амплитуд вынужденных и свободных (резонансных и околорезонансных) крутильных колебаний валопровода судов смешенного плавания (река-море) в составе валопроводов машинно-движительных комплексов включают демпферы вязкостного трения, силиконовые демпферы (СД).

В АГТУ работает испытательный центр, который аккредитован Главным управлением Российского морского регистра судоходства РФ (MP) в области по оценке работоспособности силиконовых демпферов крутильных колебаний. Накоплен значительный опыт, за период работы с 2002 год произведено более 80 испытаний судовых среднеоборотных дизелей.[70,73]

В настоящее время применяется унифицированная методика по диагностированию, оценке технического состояния [36,62,73] и прогнозирования остаточного ресурса СД.

Правилами технического надзора за судами в эксплуатации (PC) [62,75,81] предусматриваются периодические контрольные испытания установки с целью проверки работоспособности демпферов крутильных колебаний после определенного ресурса или срока эксплуатации. Назначаемый гарантийный ресурс СД составляет 25.30 тыс. часов, а ресурс до капитального ремонта судового среднеоборотного дизеля, как правило, 45.60 тыс. часов. СД в составе валопроводов МДК судов смешенного плавания нарабатывают до 90 тыс. часов.

Реализацией методов активного эксперимента, достигнут достаточный уровень знаний свойств системы, чтобы иметь возможность предсказать изменение её выходных параметров при любом изменении входных параметров и определить их оптимальную область.

Экспериментальные методы оценки крутильных колебаний, подбор демпфирующих устройств, выбор способов защиты судовых валопроводов от крутильных колебаний, достаточно полно описаны в [2,3,6,8,14,23,39,46,55,68,72 и др.].

Тем не менее, существует ряд трудностей в оценке работоспособности и назначении предельных отклонений технического состояния СД, с позиции крутильных колебаний валопровода МДК. [16,18]

Проблема оценки функционального состояния СД заключается в сложности выбора комплекса информативных критериев, оптимально отражающих специфику СД. Например, текущее состояние демпфирующих жидкостей является косвенным показателем работоспособности СД, и напротив, замеры крутильных колебаний не могут явиться достаточно убедительным средством прогноза последующего состояния гасителя.

Совершенствование системы технического обслуживания за счет реализации методов сравнительных испытаний с использованием научнотехнических положений создания исследовательских стендов и моделирования крутильных колебаний для определения функциональных свойств их качественной и количественной оценки составляет предмет настоящей диссертационной работы. В ее четырех главах рассмотрены:

Современное состояние вопроса, оценки технического состояния СД. Демпфирование крутильных колебаний в валопроводов МДК судов ВКБ.

Конструкционные особенности современных силиконовых демпферов.

Представлены результаты исследований других авторов, работы которых заложены в методологическую базу исследований.

Произведен анализ конструкции различных исследовательских стендов и устройств, применяемых при исследованиях крутильных колебаний.

Сформулирована цель, которая заключается в разработке научно обоснованных положений (подходов) создания испытательного оборудования для оценки функциональных свойств СД крутильных колебаний и функциональной характеристики при решении задач диагностики.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. На основе аналитических исследований, параметров крутильных колебаний судовых МДК, судов смешенного плавания (река - море), расчетного метода выбраны и обоснованы положения (подходы) создания исследовательских стендов и моделирования крутильных колебаний.

2. Разработаны универсальные технические устройства; модельный демпфер, исследовательский стенд, моделирующий крутильные колебания

3. Обоснован способ определения функциональной характеристики модельного демпфера.

4. Выполнены экспериментальные исследования с количественной оценкой характеристики функциональных свойств и внутреннего взаимодействия конструкционных элементов СД на исследовательском стенде, а также апробирован расчётный метод оценки параметров исследовательского стенда моделирующего крутильные колебания.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Глухов, Андрей Николаевич

Выводы по результатам экспериментальных исследований.

Апробированный метод сравнительных испытаний модельного демпфера для выполнения исследовательских испытаний позволяет определять и оценивать функциональные свойства.

На основании представленных материалов, возможно осуществлять построение математической модели функционирования СД и отбор существенных факторов, влияющих на показатели качества его работы (вязкость и количество наполнителя, моментов инерции корпуса и инерционной массы, зазоров между корпусом и инерционной массы), моделировать заклинивание СД и изучать «сухое» трение в нем.

Изменении вязкости наполнителя более чем на 20% определяется по функциональной характеристики.

При потери наполнителя более 20% заметно изменение коэффициента снижения амплитуд крутильных колебаний.

Наилучшее демпфирование наблюдается, когда корпус и инерционная масс движутся в противофазе, а отношение их амплитуд стремится к единице, что соответствует вязкости наполнителя 2 Па-с.

Амплитуда инерционной массы при оптимуме не достигает по модулю значений амплитуд корпуса в связи с потерями на трение в наполнителе и дополнительным рассеиванием энергии колебаний на движение в торцевом и радиальном направлениях (осевые и продольные колебания).

Заключение

Произведен анализ конструкций и обобщен опыт эксплуатации СД МДК судов эксплуатируемых в Волго-Каспийского регионе. Анализ показал, что основная часть СД (или 61%) полностью выработала гарантийный ресурс, назначаемый производителями, а 25% из них превысило его вдвое. Характерным для МДК судов Волго-Каспийского региона является наличие в их составе СД, произведенных в Германии фирмой STE. Определено, что в процессе эксплуатации оценка работоспособности СД при применении общепринятых методов, сравнения с допускаемыми напряжениями от крутильных колебаний, не достаточно информативны, а для назначения предельных отклонений величин определяющих техническое состояние неприемлемы.

Отбор проб и анализ ПМС-Ж не является информативным для определения работоспособного состояния СД. В связи с этим, требуется уточнить нормы MP и РР, допускающие использовать только анализ физико-химических свойств ПМС наполнителей, применяемых в СД с целью подтверждения его работоспособности.

Разработан исследовательский стенд моделирования крутильных колебаний, который позволяет производить сравнительные испытания СД различных типов, а также оценивать основные параметры определяющие ТС СД. Стенд способен моделировать крутильные колебания на различных частотах вращения вала; регулировать амплитуды и частоту колебаний, имитировать нагрузку.

За счет разработки чувствительного устройства (торсиографа) расширена возможность использования измерительной аппаратуры «Astech Elecnron-ics», что позволяет одновременно торсиографировать и тензометрировать валопровод МДК.

Разработанный исследовательский стенд позволяет производить сравнительные (послеремонтные, производственные и д.р.) испытания СД с габаритными размерами (диаметр) до 400 мм.

Результаты экспериментальных исследования подтвердили правильность разработки научно технических подходов, для создания исследовательского стенда и моделирования крутильных колебаний при решении задач диагностики СД.

Анализ данных испытаний СД позволил получить функциональную характеристику, учитывающую влияние вязкости наполнителя и потери наполнителя на работоспособность СД. Функциональная характеристика достаточно полно описывает ТС СД.

Выявлено, что оценка функциональной характеристики модельного демпфера позволяет назначить предельные отклонения ТС при изменении вязкости наполнителя ± 15%, а также при частично потере наполнителя. Выявлено влияние каждого фактора на работоспособность СД. Наиболее значимое влияние на изменение коэффициента демпфирования оказывают количество ПМС наполнителя и его вязкость. При уменьшении Q до 40% с ПМС 5000 сСт коэффициент снижения амплитуд крутильных колебаний увеличивается. При изменении вязкости на 20% амплитуда и соответствующая резонансная частота изменяются.

С помощью скоростной киносъемки установлено, что при резонансе, между угловыми перемещениями корпуса и инерционной массы в зависимости от вязкости изменяется как амплитуда колебаний корпуса и инерционной массы, так и угол сдвига фаз между ними. При этом частота колебаний последних остается одинаковой. Наилучшего демпфирования можно добиться при условии, когда корпус и маховик движутся в противофа-зе, а отношение их амплитуд стремится к единице.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Глухов, Андрей Николаевич, 2006 год

1. Алексеев A.M., Сборовский А.К. Судовые виброгасители. JL: Судпромгиз, 1963.-196с.

2. Алексеев В.В., Болотин Ф.Ф. и др. Демпфирование крутильных колебаний в судовых валопроводах.-Jl.: Судостроение, 1973.-280с.

3. Алексеев В.В., Бухарина Г.И., Пахомов К.Н., Терских В.П. Крутильные колебания валопроводов судовых установок. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, вып.257 Л.: Судостроение, 1970

4. Алексеев В.В., Пахомов К.Н. Упрощенный метод расчета силиконовых демпферов крутильных колебаний. // Судостроение, 1978. -№11. -с.54

5. Алексеев В.В., Терских В.П. Теория и метод расчета нелинейного силиконового демпфера крутильных колебаний с упругим креплением его ступицы к валу. //Известия вузов (Машиностроение), 1976. №3. - с. 58-95

6. Ананьев И.В., Тимофеев А.П. Колебания упругих систем в авиационных конструкциях и их демпфирование М.: Машиностроение, 1975.-c.277

7. Антонов Н. С., Мазиков Ю. С., Гоц А. Н., Дрозденко В. Ф. Экспресс-метод оценки параметров демпферов крутильных колебаний жидкостного трения//Тракторы и сельхоз машины, 1986.-№10. с. 17-19.

8. Бабаков И.М. Теория колебаний М.: Наука, 1968. -559 с.

9. Берков В. И. Технические измерения (альбом) М.: Высш. школа, 1977 - 240 с.

10. Блехман И.И. Теория механических колебаний: Учебник для вузов. М.: Высшая школа. 1980. -408 с.

11. Болгов А.Т., Макаров В.В., Минаев А.Н. Критериальная зависимость демпфирования моторной установки от основных параметров крутильной системы. //Известия вузов (машиностроение), 1964. №5. -с. 10

12. Будников А.П., Покусаев М.Н. Расчет электромагнитных моментов электрических машин лабораторной установки для испытаний силиконовых демпферов // Транспортное дело России. 2005. Спецвыпуск. №4 С. 5-7.

13. Бурденко А. Ф. О выборе оптимальных параметров жидкостного демпфера крутильных колебаний с упругой связью. //Прикладная механика, АН УССР, т.1, вып. 10, 1965

14. Бурденко А. Ф. О влиянии зазора и вязкости на демпфирующее свойство жидкостного демпфера. // Известия вузов (машиностроение), 1963.-№6-с. 27

15. Бухарина Г.И. Демпфирование в поршневых двигателях при резонансных крутильных колебаниях. Труды ЛПИ, №249, M.-JL: Машиностроение. 1965

16. Бухарина Г.И., Иванов М.Ю., Тимофеев В.И. Анализ существующих методов расчета и способов измерения крутильных колебаний судовых валопроводов и тенденции их совершенствования, СПб.: НТС РМЕС. Вып.23. 2000.

17. Бухарина Г.И., Ефремов JI.B., Иванов М.Ю., Проверочный расчет крутильных колебаний валопроводов // Науч.-техн. сб. Росийского морского регистра судоходства. 2005-вып. 28., с. 169 - 179.

18. Васильев Ю.А., Ивашкин Ю.И., Коломак М.Я., Маркелов Е.В. Заполнение демпферов крутильных колебаний силиконовой жидкостью. Реферативный сборник НИИинформтяжмаш. М. 1988, - с. 13-17

19. Вибрация в технике: Справочник. Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов, под. ред., проф. Ф. М. Диментберга, и проф. К. С. Колесникова М.: Машиностроение. 1980 с. 544

20. Вязкостные свойства ПМС-жидкостей, применяющихся в качестве наполнителей демпферных устройств (краткая справка). Лаборатория физических исследований ГНИИХТЭОС, 1969

21. Гаврилюк И.И., Быстров А.И. и др. Прогнозирование ресурса судовых ДВС по результатам ускоренных испытаний. Двигателестроение, №10, 1985, с.45-50

22. Голоскопов Е.Г., Филиппов А.П. Нестационарные колебания механических систем. Киев: Наукова думка, 1969. с. 221

23. Горелик Б.М., Горелик Л.Б. Эластомерные элементы-гасители крутильных колебаний коленчатых валов двигателей. Производство и использование эластомеров. 1995, №10, сЛ 0-14

24. Гоц А. Н., Дрозденко В. Ф., Жарнов Э. М., Доброгаев Р. П. Методика и алгоритм расчета силиконового демпфера крутильных колебаний // Двигателестроение, 1987.- №3. с. 12-14.

25. ГОСТ 13032-77. Жидкости полиметилсилоксановые. Технические условия, М.: Издательство стандартов. -1978 (изм. 01.10.94), 13с.27.