Метод оценки и прогнозирования виброактивности элементов пропульсивного комплекса пассажирских судов на основе расчета крутильных колебаний тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат наук Мартьянов, Владимир Васильевич

• Мартьянов, Владимир Васильевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Мартьянов, Владимир Васильевич

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Технико-гигиеническая характеристика ПУ, как источника вибрации

1.2 Состояние исследований крутильных колебаний судовых валопроводов

1.3 Характеристика условий эксплуатации элементов ПК пассажирских судов

1.4 Влияние крутильных колебаний на показатели работы

элементов ПК

1.5 Выводы по главе. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА И АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА

2.1 Анализ существующих методов расчета крутильных колебаний валопроводов

2.2 Теоретические основы расчета свободных крутильных колебаний

2.3 Алгоритм и методика свободных расчета крутильных колебаний

2.4 Анализ условий формирования резонансных режимов в процессе эксплуатации

2.5 Методика расчета вынужденных и резонансных крутильных колебаний

2.5.1 Методические положения расчета вынужденных и резонансных колебаний

2.5.2 Определение вынуждающих моментов

2.5.3 Определение демпфирующих моментов

ГЛАВА 3 РАСЧЕТ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВИБРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ

ПРОПУЛЬСИВНОГО КОМПЛЕКСА ПАССАЖИРСКИХ СУДОВ

3.1 Объекты и методика проведения расчетных и экспериментальных исследований. Аппаратура и методика измерений уровня вибрации элементов ПК

3.2 Расчет крутильных колебаний судового валопровода теплохода «Максимус» пр. Р118

3.2.1 Общая характеристика элементов ПК теплохода «Максимус» пр. Р118

3.2.2 Составление расчетной модели и вычисление ее параметров

3.2.3 Расчет свободных крутильных колебаний и определение резонансных частот

3.2.4 Расчет резонансных крутильных колебаний

3.3 Расчет крутильных колебаний судового валопровода теплохода «Элегия» пр. 82500

3.3.1 Общая характеристика элементов ПК теплохода

«Элегия» пр. 82500

3.3.2 Составление расчетной модели и вычисление ее параметров

3.3.3 Расчет свободных крутильных колебаний и определение резонансных частот

3.3.4 Расчет резонансных крутильных колебаний

3.4 Расчет крутильных колебаний судового валопровода теплохода «Эридан» пр. Р19-1

3.4.1 Общая характеристика элементов ПК теплохода «Эридан»

пр. Р19-1 115

3.4.2 Составление расчетной модели и вычисление ее параметров

3.4.3 Расчет свободных крутильных колебаний и определение резонансных частот

3.4.4 Расчет резонансных крутильных колебаний

3.5 Результаты экспериментальных исследований

ГЛАВА 4 СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДА

С УРОВНЕМ ВИБРАЦИИ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

4.1 Сопоставление резонансных частот и амплитуд крутильных колебаний с уровнем вибрации корпусных конструкций

4.2 Теоретические основы определения энергии колебаний валопровода и передачи ее на корпусные конструкции

4.3 Результаты расчета энергии колебаний валопровода

и передачи ее на корпусные конструкции

4.3.1 Результаты расчета энергии колебаний валопровода и передачи ее на корпусные конструкции

теплохода «Максимус» пр. Р118

4.3.2 Результаты расчета энергии колебаний валопровода и передачи ее на корпусные конструкции

теплохода «Элегия» пр. 82500

4.3.3 Результаты расчета энергии колебаний валопровода и передачи ее на корпусные конструкции

теплохода «Эридан» пр. Р19-1

4.4 Выводы по результатам расчета энергии колебаний валопровода

и передачи ее на корпусные конструкции судна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод оценки и прогнозирования виброактивности элементов пропульсивного комплекса пассажирских судов на основе расчета крутильных колебаний»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время общепризнано, что водные массы Мирового океана, морей и рек и их биоресурсы играют ключевую роль в формировании условий жизни всего живого на Земле и климата планеты. Океан является основным источником кислорода, поступающего в атмосферу, он же регулирует содержание углекислого газа в атмосфере, поглощая его избыток.

В условиях обозначившегося в последние десятилетия бурного роста флота стало ощутимым усиление его антропогенных воздействий на морские экосистемы. Загрязнение рек, морей и океанов, гибель биоресурсов - все это стало проблемой международного масштаба. Если рассматривать лишь экономический ущерб, наносимый окружающей среде при эксплуатации транспортных судов, то можно указать следующие основные источники этого ущерба. Загрязнение морской биосферы токсичными веществами дает около 40% совокупного экономического ущерба, вибрация и шум - 22%, коррозия оборудования и корпуса - 18%, отказы и поломки транспортных двигателей - 15%, ухудшение здоровья экипажа - 5% [1].

При рассмотрении вопроса ущерба, наносимого здоровью человека, следует учитывать не только экономический аспект. Особого внимания заслуживают пассажирские суда, на которых отрицательному воздействию шума и вибрации подвергаются в большой степени экипаж и пассажиры.

Необходимость охраны морской среды от вредного воздействия шума и вибрации судовых технических средств и конструкций, а также загрязнения ими окружающей среды регламентируется документами Международной морской организации (1МО), требованиями национальных и региональных нормативов рационального использования природных ресурсов [2, 3]. В последнее время наблюдается тенденция к ужесточению рассматриваемых ограничений на работу судов и стимулированию внедрения технологий, направленных на снижение шума и вибрации судовых технических средств и конструкций.

На сегодняшний день специалистами накоплен значительный опыт решения проблем охраны водных ресурсов и биосферы от рассматриваемых антропогенных воздействий [4]. Можно отметить большое количество работ по решению задачи снижения шума и вибрации судов [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. Однако все они имеют узконаправленный характер и посвящены исследованиям условий работы вало-проводов морских транспортных судов [5, 6, 9], работе системы двигатель—вало-провод—движитель (ДВД) морских судов при воздействии на нее динамических нагрузок от крутильных колебаний [7, 8], применению средств амортизации [11], применению специальных конструкций для подавления шума и вибрации [8, 11].

Вместе с тем, уровень современных требований обуславливает необходимость исследования влияния на характеристики шума и вибрации всех рассмотренных факторов во взаимодействии между собой основных элементов главной судовой энергетической установки и корпуса судна. Соблюдение жестких нормативов требует разработки методик контроля вибрационных характеристик судовых технических средств и корпусных конструкций при эксплуатации судна. Необходимость повышения конкурентоспособности судов требует разработки новых методик, позволяющих совершенствовать рассматриваемые вибрационные характеристики на этапе проектирования пропульсивного комплекса (ПК) судна. Это можно сделать путем учета влияния крутильных колебаний валопровода на виброактивность элементов пропульсивной установки (ПУ) наименее изученных в рассматриваемом аспекте пассажирских судов.

В отличие от морских, речные пассажирские прогулочные суда имеют ряд конструктивных и эксплуатационных особенностей, а именно:

• линии валопроводов значительно короче;

• шире набор элементов валопровода (зубчатые и высокоэластичные муфты, реверс-редукторы, дополнительный отбор мощности от главных двигателей и т.п.);

• повышенный уровень вибрации конструкций корпуса;

• значительный объем маневренных операций;

• длительная работа СЭУ на долевых режимах с пониженной частотой вращения;

• эксплуатация СЭУ на мелководье.

Эти особенности не позволяют полностью распространить на речные прогулочные суда результаты исследований валопроводов морских судов. Кроме того, многие технические решения и способы борьбы с вибрацией, пригодные для крупных морских судов, оказываются нереализуемыми на малотоннажных судах. Поэтому возникает необходимость проведения исследования крутильных колебаний системы ДВД для прогулочных судов с акцентом на их специфику [12, 13].

Актуальность темы исследования вытекает из необходимости повышения ресурса и работоспособности корпусных конструкций, механизмов и приборов за счет снижения вибрации элементов ПК, а также обеспечения санитарных условий работы судовых команд, повышения уровня комфортности для туристов при их путешествии на пассажирских судах по внутренним водным путям России.

Целью работы является решение комплекса теоретических, расчетных и экспериментальных задач по выявлению наиболее значимых факторов, влияющих на виброактивность элементов ПК пассажирских судов, разработка методики прогнозирования виброактивности элементов ПК на этапе проектирования судна.

Объектом исследования в работе является пропульсивный комплекс пассажирских судов.

Предметом исследования являются крутильные колебания валопровода и их влияние на вибрацию элементов пропульсивного установки судна.

Методы исследования. Основные теоретические результаты, представленные в диссертации, получены с помощью общепризнанного математического аппарата механики деформированного твердого тела. Основные экспериментальные результаты получены с использованием общепризнанных методов и поверенных в установленном порядке приборов. Для математического моделирования крутильных колебаний судового валопровода использовалась разработанная программа FrAn.

Достоверность научных результатов подтверждается сопоставлением результатов эксперимента с результатами математического моделирования крутильных колебаний валопровода. Предположение о том, что основным источником вибрации корпусных конструкций судна являются крутильные колебания ва-лопровода, подтверждается совпадением частот резонансных пиков измеренного уровня вибрации с расчетными значениями. Кроме того, наблюдается очевидная корреляция уровня вибрации на резонансных частотах и расчетных значений амплитуд крутильных колебаний. По результатам расчетных и экспериментальных исследований получена сходимость на уровне 15-20%, что вполне удовлетворительно.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Результаты анализа и обоснование выбора модели для расчета крутильных колебаний валопроводов наиболее распространенных проектов речных пассажирских судов.

2. Методика и программа расчетно-экспериментальных исследований вибрационных характеристик элементов ПК судов проектов Р118, 82500, Р19-1.

3. Методика измерения и результаты экспериментальных исследований вибрационных характеристик речных пассажирских судов пр. Р118, 82500, Р19-1.

4. Теоретическое и экспериментальное обоснование взаимосвязи между крутильными колебаниями валопровода и вибрацией корпусных конструкций.

5. Методика расчета энергии, передаваемой от колебаний валопровода на корпусные конструкции судна.

6. Рекомендации по использованию специалистами разработанных методик на этапе проектирования и эксплуатации.

Научная новизна исследований заключается в следующем: • Предложена методика, разработан алгоритм и программа расчета свободных, резонансных и вынужденных крутильных колебаний валопроводов от неуравновешенных моментов главных двигателей прогулочных судов проектов Р118, 82500, Р19-1.

• Получены новые экспериментальные данные по виброактивности корпусных конструкций, входящих в состав пропульсивных комплексов пассажирских судов проектов Р118, 82500, Р19-1.

• На основании расчетных и экспериментальных исследований установлена взаимосвязь и доказана необходимость учета свободных, вынужденных и резонансных колебаний валопровода при анализе вибрации корпусных конструкций ПК.

• Предложена методика прогнозирования уровней вибрации корпусных конструкций, получены значения коэффициента передачи на них энергии крутильных колебаний. Данная методика может быть использована на этапе проектирования судна.

Теоретическая значимость.

1. Предложена модель энергетического баланса ПК и методика прогнозирования виброактивности элементов пропульсивного комплекса пассажирского судна на основе расчета свободных, резонансных и вынужденных крутильных колебаний валопровода.

2. Выполнены расчетно-теоретические исследования, подтверждена научная гипотеза о преобладающей роли крутильных колебаний валопровода в виброактивности элементов ПК пассажирских судов.

3. Предложена методика и алгоритм прогнозирования виброактивности элементов ПК путем использования программы FrAn.

Практическая значимость.

1. Разработан алгоритм и программа FrAn для расчета свободных, вынужденных и резонансных крутильных колебаний судового валопровода.

2. Выполнены экспериментальные исследования и получены новые экспериментальные данные по виброактивности корпусных конструкций входящих в состав пропульсивных комплексов пассажирских судов проектов Р118, 82500, Р19-1.

3. Выполнены расчетно-экспериментальные исследования виброактивности элементов ПК, доказана взаимосвязь уровня вибрации корпусных конструкций с крутильными колебаниями валопровода.

4. Получены значения коэффициента передачи энергии на корпусные конструкции для судов проектов Р118, 82500, Р19-1. Разработаны рекомендации по использованию предложенной методики при проектировании, модернизации и капитальном ремонте судов.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались при ежегодных отчетах на заседаниях кафедры «Судовых энергетических установок, технических средств и технологий, на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова (2010, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.), на межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов посвященной 200-летию транспортного образования в России « Водный транспорт России: история и современность» (г. Санкт-Петербург, 13-14 мая 2009 г.) на международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (г. Санкт-Петербург, 1-2 октября 2009 г.) на научно-практических конференциях «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (г. Санкт-Петербург, 14 мая 2013 г., 15-16 мая 2014 г., 14 мая 2015 г., 18 мая 2016 г.)

Основные результаты работы опубликованы в 9 статьях, в том числе 4 - в изданиях по перечню ВАК, и материалах 5 конференций.

Структура и объем работы диссертации. Диссертация изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 30 таблиц, 53 рисунка. Работа состоит из введения, четырех глав основного текста, списка сокращений и условных обозначений, заключения, списка литературы из 110 наименований, в том числе 18 иностранных.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Технико-гигиеническая характеристика ПУ как источника вибрации

Современное судно насыщено механизмами и устройствами, при работе которых возникают колебания широкого спектра частот. Эти колебания появляются из-за специфики работы механизмов, несовершенства их конструкций, неисправностей, износа и являются источниками вибрации [14].

Повышенные уровни вибрации и шума на судах оказывают вредное воздействие на организм человека, значительно снижают его работоспособность. Колебания работающих машин, аппаратов и ручных инструментов, происходящие с различной частотой, амплитудой и ускорением, по-разному воспринимаются организмом человека. Колебания, достигающие 15-20 Гц, воспринимаются человеком уже не изолированно в виде толчков, а слитно - как вибрация. Вибрация вызывает изменения в нервной и опорно-двигательной системах, может приводить к снижению мышечной силы и массы, нарушению остроты зрения и световой чувствительности, ослаблению памяти [15], [16].

Влияние вибрации на человеческий организм обусловлено непосредственным контактом человека с вибрирующими поверхностями. Частоты колебания палубы бывают нередко близки к частотам собственных колебаний органов человека. Это вызывает явление резонанса, при котором амплитуда колебаний внутренних органов человека достигает опасных значений. Установлено, что у человека в результате вибрации, усиленной резонансом, появляются жалобы на неприятное ощущение зуда и онемения в области ног, поясницы, что ведет к стойким патологическим изменениям в организме [17].

Вибрация может оказывать влияние и на органы зрения. Зрительные расстройства, выявляемые при воздействии колебаний частотой ниже 10 Гц, характеризуются ухудшением визуального слежения и восприятия зрительной информа-

ции. При частотах 10-20 Гц отмечается ухудшение восприятия изображения в целом, которое начинает сливаться из-за резонансных явлений глазных яблок.

Вибрация, являясь сильным стресс-фактором, провоцирует изменения функционального состояния центральной нервной системы, что проявляется в нарушении нервных процессов в сторону возбуждения или торможения и развития фазовых состояний.

Отмечено влияние вибрации и на дыхательную систему. Так, при колебаниях частотой 2-15 Гц наблюдается ухудшение дыхания, которое субъективно ощутимо на частотах 5-6 Гц, сопровождающееся увеличением потребления кислорода, в последующем возможны нарушения мозгового кровообращения. Результатом длительного воздействия общей вибрации могут быть необратимые морфо-функциональные изменения, что приводит к развитию вибрационной болезни [18].

Вибрация на судах нормируется в зависимости от продолжительности ее воздействия и назначения судовых помещений [19]. В СанПиН 2.5.2.703-98 «Суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания» выделяют три группы речных судов. Рассматриваемые в настоящей работе суда относятся к III группе (суда внутригородских и пригородных линий и т.п.). На таких судах экипаж находится только во время работы, а проживает на берегу.

Предельно допустимые уровни виброускорения и виброскорости на палубе и в помещениях речных судов III группы [19] приведены в таблицах 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1 - ПДУ виброускорения для речных судов III группы, дБ,

(при а0 = 3 • 10-4 м/с2).

Судовые помещения Корректированный и эквивалентный коррек-тир. уровень, La, дБ Среднегеометрическая частота октав-ных полос, Гц

2 4 8 16 31.5 63

Машинные помещения 63 63 60 60 66 72 78

Мастерские, камбуз 56 56 53 53 59 65 71

Служеб. помещения 56 56 53 53 59 65 71

Жилые и обществен. помещения 53 53 50 50 56 62 68

Судовые помещения Корректированный и эквивалентный коррек-тир. уровень, La, дБ Среднегеометрическая частота октав-ных полос, Гц

2 4 8 16 31.5 63

Медицин. помещения 47 47 44 44 50 56 62

Таблица 1.2 - ПДУ виброскорости для речных судов III группы, дБ

Судовые помещения Корректированный и эквивалентный коррек-тир. уровень, Lv, дБ Среднегеометрическая частота октав-ных полос, Гц

2 4 8 16 31.5 63

Машинные помещения 105 117 108 102 102 102 102

Мастерские, камбуз 98 110 101 95 95 95 95

Служеб. помещения 98 110 101 95 95 95 95

Жилые и обществен. помещения 95 107 98 92 92 92 92

Медицин. помещения 89 101 92 86 86 86 86

Следует заметить, что в настоящее время при оценке допустимого виброускорения используется опорное значение а0 = 1 • Ю-6 м/с2 (СН 2.2.4/2.1.8.56696). В то же время, значение а0 = 3 • 10-4 м/с2 до сих пор используется в санитарных нормах для речных и морских судов [15].

Учитывая, что

Ьа = 20 1д (а/ао),

приведенные в таблице 1.1 значения ПДУ необходимо увеличить на 50 дБ для корректного сопоставления с результатами измерений при использовании современных измерительных приборов, градуированных для а0 = 1 • 10-6 м/с2.

Стоит также отметить, что в последних отечественных и международных стандартах в качестве основной нормируемой величины используется виброускорение.

Кроме вредного влияния на человека, вибрация вызывает ряд механических последствий [20]:

• нарушает прочность отдельных частей конструкции корпуса;

• негативно влияет на аппаратуру и приборы;

• на пассажирских судах мешает проводить экскурсии, праздничные мероприятия и деловые встречи.

Последствия первого рода характеризуются нарушением плотности заклепочных соединений или разрывом сварных швов в различных частях корпуса. Особенно серьезны повреждения судовых фундаментов. Ослабление отдельных элементов конструкции приводит к неравномерной усадке фундамента, ввиду чего деформируется остов двигателя и искривляется линия вала.

Последствия второго рода почти всегда сопутствуют работе двигателей внутреннего сгорания. Вредное действие вибрации на машины и механизмы выражается в понижении коэффициента полезного действия, в преждевременном износе, в необходимости более частой наладки, а также в опасности возникновения аварий. Наиболее чувствительны к действию вибрации манометры, тахометры, аэротермометры и прочие приборы машинного отделения, которые могут выйти из строя или давать неверные показания. Вибрация стрелок и указателей зачастую не позволяет точно отсчитывать измеряемый параметр даже в том случае, когда прибор, сам по себе, еще не поврежден.

Исследования показали, что основными источниками вибрации корпуса судна являются работающие судовые машины и механизмы, в первую очередь гребные винты и валопроводы [21]. Гребной и промежуточные валы обладают как динамическим дисбалансом, так и неравной жесткостью в различных плоскостях, т.е. для них характерно наличие неодинаковых моментов инерции площади поперечного сечения. Это приводит к вибрации валопровода, а значит, всего корпуса судна с частотой, равной или кратной частоте вращения гребного винта. Частота вращения гребных винтов зависит от технических характеристик судна и самого винта, а также от скорости движения судна и может составлять от 60 до 140 об./мин. и более. Нижняя частотная граница общей вибрации находится в диапазоне 1-2 Гц, а верхняя, как правило, не превышает 80 Гц, что связано с физическими особенностями распространения и затухания механических колебаний в

конструкциях судна. Такую вибрацию называют лопастной (высокочастотной), а ее интенсивность зависит от режима работы гребных винтов.

Гребные винты являются источниками низкочастотной вибрации [22]. Наиболее интенсивная вибрация от гребных винтов наблюдается в корме судна. При вращении гребного винта на корпус судна передаются пульсирующие гидродинамические усилия, возникающие в результате изменения поля скоростей и давлений в потоке, и периодические силы и моменты, вызванные неравномерным обтеканием винта водой. Эти возмущающие силы, действуя на корпус, возбуждают в нем вибрацию с частотой, кратной произведению вращения гребного винта на число его лопастей (лопастная частота). Периодические силы могут вызвать также вибрацию с удвоенной лопастной частотой. Как показывает практика, величины периодических сил от гребных винтов и возбуждаемая ими вибрация зависят от глубины под килем судна, волнения, скорости течения, кавитации, обтекания выступающих частей корпуса судна. Механическая и гидродинамическая неуравновешенность винта, различия геометрических размеров лопастей также вызывает вибрацию корпуса судна [22, 23].

На подавляющем большинстве судов в качестве главных и вспомогательных двигателей установлены дизели, создающие не только интенсивный шум, но и значительную вибрацию. Основными источниками вибрации двигателей являются следующие неуравновешенные периодические силы и моменты:

• центробежные силы инерции вращающихся масс,

• силы инерции поступательно движущихся масс,

• моменты от действия этих сил,

• опрокидывающий момент двигателя.

Эти периодические силы возбуждают вертикальную, поперечную, продольную вибрации двигателя и крутильные колебания валопровода. Неуравновешенные силы инерции и их моменты передаются на корпус судна и вызывают вибрацию системы «двигатель-фундамент-корпус».

При исследовании вибрации корпуса различают:

• вибрацию первого порядка (частота колебаний равна частоте вращения ва-лопровода), вызываемую разношаговостью лопастей гребного винта, динамической неуравновешенностью главного двигателя или гребного винта;

• вибрацию лопастного порядка (с частотой кратной числу лопастей винта), вызываемую периодическими гидродинамическими давлениями, а также силами и моментами, возникающими на лопастях вследствие неравномерности потока за штевнем;

• вибрацию от двигателя.

Вибрация лопастного порядка резко возрастает при движении судна в балласте, когда часть лопасти оголяется. Такого режима следует избегать.

Работая в неравномерном поле скоростей за кормой судна, гребной винт воспринимает и передает валопроводу постоянные и переменные составляющие реакции, возникающей под действием крутящего момента, а также гидродинамический изгибающий момент, обусловленный эксцентриситетом равнодействующей осевой силы. Эти усилия вызывают крутильные, изгибные и продольные колебания валопровода [24, 25, 26].

Значительные изгибающие усилия, действующие на валопровод со стороны гребного винта, нейтрализуются реакциями опор в пределах кормовой оконечности судна, вызывают вибрацию ахтерпика. Пульсация упора гребного винта и продольные колебания валопровода передаются упорному подшипнику и вызывают местную вибрацию корпуса судна. Несоосность валов, соединительных муфт, карданных передач, обусловленная неточностью изготовления соединительных элементов и их монтажа, также является наиболее распространенной причиной вибрации [27, 28].

1.2 Состояние исследований крутильных колебаний судовых валопроводов

Исследованию вибрации на судах посвящены многочисленные работы как отечественных ученых (среди которых Белов И.М. [8], Вороненок Е.Я., Давыдов

B.В., Ефремов Л.В., Иванюта Э.И. [8], Крючков Ю.С., Лукаш Э.П., Маттес Н.В., Никольский Ю.А. [8], Палий О.М., Поляков В.И, Попков В.И. [29], Постнов В.А. [14], Ростовцев Д.М. [14], Тарануха Н.А., Сочинский С.В., Тузов Л.В., Чувиков-ский В.С., Шиманский Ю.А., Щукина Е.Н., Галь А.Ф., Зинченко В.И., Худяков

C.А. [6], Клюкин И.И., Крючков Ю.С., Лошаков В.И., Нерубенко Г.П., Ломов О.П. [19], Ахметзянов И.М. [19]), так и иностранных исследователей (Asmussen I.,Bourceau G. [30], Bryndum L. [31], Choi J., Chang J. [32,33]., Garnier H., Fuji K. [34], Fujino R., Jacobsen S., Kim M. [35], Kim S., Laheld P., Larsen O. [36], Mano M. [37], Masson J., Misuuchi M. [38], Munn H., Nagai M., Ochi Y. [39,40], Ohtaka K. [41], Okada Y., Shiraki K., Sontvedt T. [42], Stefenson J. [43], Shyn R., Tanida K. [44], Volcy G. [45], Wang W., Yamaguchi T. [46]).

Краткий обзор некоторых работ, в той или иной мере использованных автором, приведен ниже.

Работа [6] посвящена исследованию вибрации на морских судах с главными малооборотными дизелями (МОД). Установлены основные причины вибрационных повреждений и отказов механического оборудования, устройств и корпусных конструкций в машинных отделениях, которыми являются неуравновешенные моменты от главных МОД. Доказана необходимость учета неуравновешенных моментов МОД на стадии проектирования судов, предложены методы оценки МОД и даны проектные рекомендации. Отмечается, что при кормовом расположении машинного отделения вибрация от гребных винтов и главных дизелей суммируется. Частоты возмущающих усилий от гребного винта зависят от числа его лопастей. Проблема может быть решена на стадии проектирования судна после выбора типа главного МОД и расчета всех его неуравновешенных моментов, так как при проектировании гребного винта можно варьировать его параметрами и числом лопастей. С целью исключения совпадения частот возмущающих усилий от МОД и гребного винта, необходимо после выбора главного дизеля и анализа полного спектра его неуравновешенных моментов выполнить расчет движителя и принять число его лопастей.

Методические указания [8] устанавливают правила расчетов вибрации в обитаемых помещениях судов на стадии проектирования. Данные расчеты имеют целью разработку мероприятий по предотвращению повышенной вибрации либо по снижению ее до допустимых уровней, соответствующих п. 8.1 санитарных норм СН 2.5.2.048-96. Документ выделяет основные факторы, которые определяют возможность возникновения повышенной вибрации в помещениях. Условия, при которых возникновение вибрации недопустимого уровня становится возможным, указываются для каждой октавы с типовыми среднегеометрическими частотами (СГЧ):

• в октавах с СГЧ = 2 Гц и СГЧ = 4 Гц - совпадение или близость низших частот свободных вертикальных колебаний корпуса и частот возмущающих сил первого и второго порядков;

• в октаве с СГЧ = 8 Гц - совпадение или близость первой собственной частоты продольных колебаний островной надстройки и лопастной частоты;

• в октаве с СГЧ = 16 Гц - совпадение или близость низших собственных частот палуб помещений и частот основных порядков малооборотных дизелей;

• в октаве с СГЧ = 31.5 Гц - совпадение или близость низших собственных частот палуб помещений и частот основных порядков среднеоборотных дизелей;

• в октаве с СГЧ = 63 Гц влияние вибрации на условия обитания на судне обычно несущественно.

Таким образом, уже на стадии проектирования могут быть сформулированы требования к значениям собственных частот конструкций. Выполнение этих требований позволяет исключить возможность резонансных колебаний соответствующих конструкций:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мартьянов, Владимир Васильевич, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бродский А. К. Экология водного транспорта. - М.: Академия, 2006. - 256 с.

2. Венцюлис Л. С. Основы охраны окружающей водной среды на водном транспорте: учебное пособие - СПб.: СПГУВК, 2002. - 64 с.

3. Наставление по предотвращению загрязнения внутренних водных путей при эксплуатации судов РД 152-011-00 Москва: МТРФ, 2000. - 46 с.

4. Каляуш А.И., Мартьянов В.В. Анализ проблемы очистки подсланевой воды при эксплуатации малого флота. Материалы VII Межвузовской науч.-практич. конф. «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». -ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова, 2015 г. 16 мая, - С. 215-217.

5. Самсонов А.В. Методические основы расчета связанных крутильно-осевых колебаний валопроводов судовых дизельных установок методом главных координат: Дис. на соиск. учен. степ. к.т.н. - СПб.: 2004. - 215 с.

6. Худяков С.А. Вибростойкость и конструирование упругих систем судовых энергетических установок: Дис. на соиск. учен. степ. к.т.н. - Комсомольск-на-Амуре: 2014. - 318 с.

7. Фока А.А. Судовой механик. Т. 1. - Одесса: 2008. - 1031 с.

8. МУ 2.2.4.1518-03. Расчетная оценка уровней вибрации в обитаемых помещениях морских судов. Методические указания. Утверждены Главным государственным санитарным врачом РФ, Первым заместителем Министра здравоохранения РФ Г.Г. Онищенко 29 июня 2003 г. - 18 с.

9. Ефремов Л.В., Черняховский Э.Р. Надежность и вибрация дизельных установок промысловых судов. - Л.: Пищевая промышленность, 1980. - 232 с.

10. Тарануха Н. А. Динамика упругих систем в машинных отделениях судов с главными малооборотными дизелями / Н. А. Тарануха, С. А. Худяков // Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, 2012. № 67 (351). - С. 161-168.

11. Сахаров А.Б. Защита судовых валопроводов от крутильных колебаний. - М.: Транспорт, 1988. - 117 с.

12. Мартьянов В.В. Проблемы и пути технического обеспечения безопасности прогулочных пассажирских судов. Материалы науч.-практич. конф. «Водный транспорт России: история и современность». - Изд-во. СПГУВК, 2009. - 80-85 с.

13. Мартьянов В.В. Условия работы и возможные причины вибрации на прогулочных пассажирских судах под действием крутильных и поперечных колебаний валопровода. Материалы V межвузовской науч.-практич. конф. «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». - Изд-во. ГУМРФ им. адм. С.О.Макарова, 2014. - 131-135 с.

14. Постнов В. А., Калинин В. С., Ростовцев Д. М. Вибрация корабля. - Л.: Судостроение, 1983. - 248 с.

15. Гаврилов М.Н. Вибрация на судне. - М.: Транспорт, 1970, - 127 с.

16. Вибрации в технике Том 1. М.: Машиностроение, 1978, - 352 с.

17. Меньшов А.А. Влияние производственной вибрации и шума на организм человека. - Киев: Здоровье, 1977.

18. Исследование возможности снижения передачи структурного шума и звуковой вибрации через валопровод на корпус судна: Дис. на соиск. учен. степ. к.т.н. -Астрахань, 1982. - 151 с

19. Ломов О.П., Ахметзянов И.М., Соколов М.О. Физические факторы обитаемости кораблей. - СПб.: Судостроение, 2014. - 560 с.

20. Вибрация энергетических машин. Справочное пособие. Под ред. Н.В. Григорьева. - Л.: Машиностроение, 1974, - 464 с.

21. Скуридин А.А., Михеев Е.М. Борьба с шумом и вибрацией ДВС - Л.: Судостроение, 1970, - 223 с.

22. Периодические силы, передаваемые гребным винтом корпусу судна: труды ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова, вып. 273. - Л.: Изд-во ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова, 1972. - 154 с.

23. Румб В.К., Самсонов А. В. Гребной винт - источник упругой связи крутильных и осевых колебаний судового валопровода // Труды НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова, 2003. - Вып. 1(1).

24. Манасян М. А. Колебания валопроводов судовых дизельных установок. -СПб.: 2006.

25. Румб В.К., Самсонов А.В. Основные положения и расчет крутильно-осевых колебаний валопроводов судовых дизельных установок // Морской вестник, 2004. - №2(10).

26. Яблонский А. А. Курс теории колебаний / А. А. Яблонский, С.С. Норейко.

- М.: Высшая школа, 1975. - 247 с.

27. Тарануха Н.А. Об особенностях собственных изгибных колебаний круговых колец с начальными неправильностями / Г.С. Лейзерович, Н.А.

Тарануха // Прикладная Математика и механика. - М.: РАН, 2012, том 76, вып. 2.

- С. 306-312.

28. Лукаш, Э.П. Совершенствование методов расчета собственных частот и форм колебаний судовых конструкций: Дис. на соиск. учен. степ. к.т.н: / Лукаш Эрнест Павлович. 05.08.02 - Николаев, 1978. - 22 с.

29. Попков В.И., Мышинский Э.Л., Попков О.И. Виброакустическая диагностика в судостроении. - Л.: Судостроение, 1986. - 256 с.

30. Bourceau, G. Forced Vibration Resonators and Free Vibration of the Hull / G. Bourceau, G. Volcy // - Inter. Shipbuild. Progress, 1975, v.18, №203. -P.243-271; №204. - P.275-294.

31. Bryndum, L. Vibration Aspects of Low-speed Diesels / L. Bryndum, S. Jacobsen // 9th Marine Propaltion Conference, - London, 1987.

32. Chang, J. Dynamic response Prediction Of Rolling Stays / J. Chang, W. Wang, R. Shyu, W. Yeih // Journal of the Society of Naval Arhitects and Marine Engineers, 1997, v.16, №4. -P.51-61.

33. Chang, J. Analisis on the Dynamic Parameters of Rolling Stays on Mane Engines / J. Chang, W. Wang, R. Shyu, W. Yeih // - Master Thesis, Institute of Harbor and River Engineering: National Taiwan Ocean University, 1992.

34. Fuji, K. IHI Ship Vibration Measuring and Analysing System and its Application Results / K/ Fuji, Y. Okada // Japan Shipbuilding and Marine Engineering, 1978, v.12, №1. -P.23-35.

35. Kim M.S. A Parametric Study on Optimization of Main Engine Bed Structure of Large Ship / M.S. Kim, J.H. Choi, S.Y. Kim // Proceedings TEAM'2004. - Vladivostok, 2004. -P.108-117.

36. Larsen, O. Prevention of Hurmful Engine - and Propeller induced Vibrations in the Afterbody of Ships / O. Larsen, T. Sontvedt // Information Det Norske Veritas, 1972, №9. -P.3-30.

37. Mano, M. Вибрация корпуса судна от неуравновешенного момента 2-го порядка главных дизелей / И. Мано // Нихон дзосен гаккайси, 1978. Т.590. - С.379-385.

38. Misuuchi, M. Analysis of Transverse Vibration of Actual Engine Frames / M. Mis-uuchi, M. Nagai // Inter. Symp. Mar. Eng. - Tokyo, 1973. -P.41D-52D.

39. Ochi, Y. Prevention of Engine Room Vibration and Engine Room Double Bottom / Y. Ochi, K. Tanida, R/ Fujii // Inter. Symp. Mar. Eng. - Tokyo, 1977. -P.157-164.

40. Ochi, Y. Prevention of Engine Room Vibration and Engine Room Bottom. Report 1 / Ochi, K. Tanida, R/ Fujii // Ishikawajima-Harima Eng. Rev., 1976, v.16, №6. -P.655-666.

41. Ohtaka, K. Some Comments on the Hull Vibration Induced by Engine / K. Ohtaka // Inter. Symp. Mar. Eng. - Tokyo, 1973. -P.89D-92D.

42. Sontvend, T. Усилия, возбуждаемые винтом / T. Sontvend // European Shipbuilding, 1971.

43. Stefenson, J. Vibration of Ship's Hull Induced by Engine and Propeller / J. Stefen-son // Inter. Symp. Mar. Eng. - Tokyo, 1973. -P.81D-88D.

44. Tanida, K. Prevention of Engine Room Vibration. Report 2. Transvers Vibration of Diesel Engines / K. Tanida, Y. Ochi // Исивакадзима Харима гихою. Ishikawajima-Harima Eng. Rev., 1977, v.17, №1. -P.9-17.

45. Volcy, G. The Building and Operation of Vibration - Free Propultion Plants and Ships / G. Volcy, M. Baudian, C. Guinard // SNAME. Transactions, 1988, v.96.

46. Ymaguchi, T. Vibration of Large Diesel Engines / T. Ymaguchi, E. Shiraki // Inter. Symp. Mar. Eng., Tokyo, 1973. -P.53D-64D.

47. Ефремов Л.В. Теория и практика исследований крутильных колебаний силовых установок с применением компьютерных технологий. - СПб.: Наука, 2007. -276 с.

48. Тарануха Н. А. Динамика упругих систем в машинных отделениях судов с главными малооборотными дизелями / Н. А. Тарануха, С. А. Худяков // Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, 2012. № 67 (351). - С. 161-168.

49. Истомин П.А. Крутильные колебания в судовых ДВС. - Л.: Судостроение, 1968. - 304 с.

50. Хандов А.М. Судовые энергетические установки. Расчет крутильных колебаний валопровода с четырехтактным двигателем и демпфером. Методические указания по использованию компьютерной программы для лабораторных работ. -СПб.: СПбГУВК, 2005. - 20 с.

51. Попович В.С., Зимин А.Е. Сравнение численных методов расчета частот свободных крутильных колебаний // Ползуновский вестник. - 2008. - № 4 - С. 66-70.

52. Нгуен Динь Тыонг. Учет случайных факторов при расчете крутильных колебаний валопроводов судовых дизельных установок методом главных координат: Дис. на соиск. учен. степ. к.т.н. - Л.: 2004. - 226 с.

53. Глушков С.С. Математическое моделирование динамических характеристик судовых валопроводов: дис. на соиск. учен. степ. к.т.н. - Новосибирск: 2009. -167 с.

54. Барабанов, Н.В. Натурные исследования пульсации давлений, индуцируемых гребным винтом / Н.В. Барабанов, Н.А. Иванов, С.А. Худяков // Судостроение, 1980, №7. - С.30-32.

55. Гаврилов, М.Н. Статистический анализ повреждений корпусных конструкций / М.Н. Гаврилов. - М., Транспорт, 1971. - 122 с.

56. К вопросу о проблеме крутильных колебаний силовых установок на эксплуатирующихся судах: труды ОАО «Ростовское ЦПКБ «Стапель». - 2011. - С. 1-5.

57. Агуреев А. Г., Баршай Ю.С. Крутильные колебания и надежность судовых валопроводов. М.: Транспорт, 1982. - 112 с.

58. Колыванов В. В. Прогнозирование работоспособности элементов судового валопровода с использованием акустической тензометрии. Дис. на соиск. учен. степ. к.т.н. - СПб.: 2010. - 133 с.

59. Чура М.Н. Прогнозирование начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов. Дис. на соиск. учен. степ. к.т.н. - Новороссийск, 2011, - 132 с.

60. Чернов С.Е. Обеспечение прочности и долговечности валопроводов речных судов при действии крутильных колебаний: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. к.т.н. - Ленинград, 1991. - 23 с.

61. Мартьянов В.В., Коптев А.В. Расчет крутильных колебаний судового валопровода прогулочного пассажирского теплохода «Фонтанка» (проект Р118). Журнал Университета водных коммуникаций. - 2012. - №1(1). - С. 43-46.

62. Семенов Ю.А. Механика. Теория механических колебаний. - СПб.: СПГПУ, 2008, 412 с.

63. Методы оценки допускаемых напряжений от крутильных колебаний коленчатых валов судовых ДВС /Л. В. Ефремов, А. В. Троицкий, Г. И. Бухарина, М. Ю. Иванов.// Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. 2004. Вып. 18 (302). с. 16-27.

64. Шаталов К. Т. Вынужденные колебания линейных цепных систем при учете всех внутренних и внешних трений. Изд-во АН СССР, 1949.

65. Попович В.С., Зимин А.Е. Сравнение численных методов расчета частот свободных крутильных колебаний. Ползуновский вестник. - 2008. - №4, 66-70 с.

66. Терских В.П. Метод цепных дробей. Т. 1. - Л.: Судпромгиз, 1955.

67. Терских В.П. Метод цепных дробей. Т. 2. - Л.: Судпромгиз, 1955.

68. Терских В.П. Крутильные колебания валопровода силовых установок. Т. 1. -Л.: Судостроение, 1969, 208 с.

69. Терских В.П. Крутильные колебания валопровода силовых установок. Т. 2. -Л.: Судостроение, 1970.

70. Терских В.П. Крутильные колебания валопровода силовых установок. Т. 3. -Л.: Судостроение, 1970.

71. Терских В.П. Крутильные колебания валопровода силовых установок. Т. 4. -Л.: Судостроение, 1970.

72. Лурье И. А. Крутильные колебания в дизельных установках, М.: Военмориз-дат, 1940.

73. Бухарина Г. И. Демпфирование в поршневых двигателях при резонансных крутильных колебаниях. Труды ЛПИ, №249, М.-Л., Машиностроение, 1965.

74. Бухарина Г. И. Демпфирование резонансных крутильных колебаний в масляном слое подшипников скольжения. Труды ЛПИ, № 264 М. -Л., Машиностроение, 1966.

75. Румб В.К. Основы проектирования и расчета судового валопровода. Учебное пособие. СПб.: 1996. - 106 с.

76. Румб В.К. Расчет крутильных колебаний судовых валопроводов методом главных координат. - Двигателестроение №3, - СПб.: 2008. с.25-28.

77. Румб В.К. Расчет осевых колебаний: практическая необходимость или теоретическая изощренность? - СПб.: Двигателестроение №2, 2009. - с . 48-49.

78. Алексеев В. В., Болотин Ф. Ф., Кортын Г. Д. Демпфирование колебаний в судовых валопроводах. Л.: Судостроение, 1973. - 279 с.

79. Ефремов Л.В., Алексеев В.В., Сергеев К.О., Покусаев М.Н. Моделирование работы демпфера крутильных колебаний. Проблемы машиностроения и надежности машин, 2005, № 6, С. 39-43

80. Сибряев К.О. Использование маховиков-демпферов для гашения крутильных колебаний судовых валопроводов. Дис. на соиск. учен. степ. к.т.н. - Астрахань, 2008, - 118 с.

81. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний / Я.Г. Пановко. -М.: Наука, 1971. - 240 с.

82. Баниге М.Ю. Динамика судовых двигателей внутреннего сгорания: учебное пособие / М.Ю. Баниге. - Горький: Изд. ГПИ, 1971. - 96 с.

83. Румб В.К., Пугач А.А. Еще раз о расчетах крутильных и осевых колебаниях судовых пропульсивных установок с ДВС // Морской вестник. 2013. Спец-выпуск 1(10). С.31-33.

84. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970, - 720 с.

85. Румб В.К. Прочность судового оборудования. Конструирование и расчеты прочности судовых валопроводов: учебник / В.К.Румб. - СПб.: Изд. Цент СПбГМТУ, 2008. - 298 с.

86. Нелинейные задачи динамики и прочности машин Под ред. В.Л Вейца. - Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1983. - 336 с.

87. Пассажирский теплоход для рек и каналов Санкт-Петербурга проект Р118. Программа и методика приемочных испытаний. - СПб.: ООО «ЦИЛ», 2013. - 28 с.

88. Модификация проекта пассажирского судна 82500. Спецсудопроект, 2003. - 4 с.

89. Медведев А.М. Речные пассажирские перевозки. - М.: Транспорт, 1983. - 135 с.

90. Каргина О.С. Формирование механизма социально-экономического развития внутреннего пассажирского водного транспорта. Дис. на соиск. учен. степ. к.э.н. -Великий Новгород, 2010, - 192 с.

91. Большая энциклопедия транспорта. В 8-ми т. Т. 6: Речной транспорт. СПб, 1998. - 312 с.

92. Петров Н. Петербург возрождает водные пассажирские перевозки. Вестник Морского совета, №3. СПб, 2008. - 9 с.

93. Высоченко Я.И. Методические основы формирования системы стратегического управления развитием пассажирских перевозок на водном транспорте. Дис. на соиск. учен. степ. к.э.н. - СПб. 2004.

94. Мартьянов В.В. Расчет характеристик колебаний судового валопровода прогулочного пассажирского теплохода «Волхов-1» (проект Мойка) / В.В. Мартьянов // Вестник ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова. - 2013.- №1(20). - С. 34-37.

95. Мартьянов, В.В. Расчет крутильных колебаний судового валопровода прогулочного пассажирского теплохода «Эридан» / В.В. Мартьянов // Вестник ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова. - 2015. - №4(32). - С. 146-153.

96. Мартьянов В.В., Каляуш А.И. Расчет резонансных крутильных колебаний судового валопровода пассажирского теплохода «Элегия» пр. 82500. Материалы VII Межвузовской науч.-практич. конф. «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». - ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова, 2015. 16 мая, - С. 101-105.

97. Лашко В.А., Лейбович М.В. Матричные методы в расчетах крутильных колебаний силовых установок с ДВС. Учебное пособие. ХГТУ. - Хабаровск: 2003. -212 с.

98. Румб В.К. , Самсонов А.В. Расчет связанных крутильно-осевых колебаний валопроводов судовых дизельных установок методом главных координат // Труды НТО судостроителей акад. А.Н. Крылова, 2003. - Вып. 1 (1). - С. 61-64.

99. Самсонов А.В., Румб В.К. Методология расчета связанных крутильно-осевых колебаний судовых валопроводов методом главных координат // Моделирования, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем: матер. междунар. научн. конф., Вологда: 2004. 153-157 с.

100. Румб В.К., Радченко В.А., Медведев В.В. Расчет колебаний судовых валопроводов на персональной ЭВМ. Методические указания. СПбГМТУ, 2001. - 56 с.

101. Двигатели ЯМЗ-236, ЯМЗ-238 инструкция по эксплуатации. Ярославский моторный завод, 1983. - 175 с.

102. Валопровод проекта Р-118 /ЦТКБ МРФ, - Л., 1975

103. Формуляр валопровода Р118.3-40-4Ф. ОАО "ИЦС", 2007. - 41 с.

104. Октава - 110А (ЭКО) / Экофизика -110А. Руководство по эксплуатации. ПКДУ.411000.002.01РЭ. - М., Группа «Октава электрондизайн». ООО «ПКФ Цифровые приборы», 2010. - 62 с.

105. Российский Речной Регистр. Правила. В 3-х т. Т.1. М, 2002.- 326 с.

106. Российский Речной Регистр. Правила. В 3-х т. Т.2. М, 2002. - 395 с.

107. Российский Речной Регистр. Правила. В 3-х т. Т.3. М, 2002. - 432 с.

108. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле / С.П.Тимошенко - М.: Физ-матгиз, 1959. - 439 с.

109. Давыдов В.В. Динамические расчеты прочности судовых конструкций / В.В. Давыдов, Н.В. Маттес - Л.: Судостроение, 1974. - 336 с.

110. Ивович В.А. Защита от вибрации в машиностроении / В.А. Ивович, В.Я. Онищенко - М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.