Разработка управляемой виброгасящей системы для подвесок судовых двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Жаров, Алексей Валерьевич

• Жаров, Алексей Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жаров, Алексей Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР, АНАЛИЗ И ОЦЕНКА СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИЙ.

1.1 Особенности возникновения вибрации на судах.

1.2 Общие методы борьбы с вибрацией.

1.3 Виброзащитные системы на базе управляемых динамических гасителей колебаний.

1.4 Классификация нерегулируемых динамических гасителей колебаний.

1.5 Выбор пассивного устройства для управляемой виброзайщтной системы.

1.6 Выводы по главе. Постановка задачи и цели исследования.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ДИНАМИЧЕСКОГО ГАСИТЕЛЯ КОЛЕБАНИЙ.

2.1. Классификация сил, действующих на систему.

4 2.2 Вынужденные колебания виброизолирующего механизма с учётом сил трения.

2.3 Определение оптимальных параметров системы.

2.4 Исследование динамических режимов системы.

2.5 Выводы по главе.

3. РАЗРАБОТКА УПРАВЛЕНЯЕМОГО ВИБРОЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ГАСИТЕЛЯ КОЛЕБАНИЙ.

3.1 Анализ методов регулирования частотной настройки ДГК.

3.2 Разработка способа частотной настройки виброзащитной системы на базе щ ДПС.

3.3 Определение законов управления подвеской ДГК.

3.4 Анализ устройств, корректирующих жёсткость упругого подвеса.

3.5 Выводы по главе.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ДИНАМИЧЕСКОГО ГАСИТЕЛЯ КОЛЕБАНИЙ.

4.1 Описание принципиальной схемы установки для проведения исследований.

4.2 Методика проектирования управляемого ДГК.

4.2.1 Определение основных параметров ДГК.

4.2.2 Расчёт электромагнитного устройства.

4.3 Лабораторные испытания виброзащитной системы на базе управляемого динамического гасителя колебаний.

4.4 Заводские испытания виброзащитной системы на базе управляемого динамического гасителя колебаний.

4.6 Судовые испытания виброзащитной системы на базе управляемого динамического гасителя колебаний.

4.5 Направление дальнейших исследований.

4.7 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка управляемой виброгасящей системы для подвесок судовых двигателей»

Вредное воздействие вибрации на механизмы и человека разработчики судов стали учитывать начиная лишь с конца 19-го столетия. Французская книга по проектированию морских судов (Theorie de Navir), опубликованная в 1894 году, содержала данные о судовой вибрации, описывая возникновение данного феномена, как результат вращения двигателя. Медленно вращающиеся винты, которые использовались в то время, имели несколько лопастей на валу, что в совокупности и стало причиной низкочастотных колебаний.

Вибрация определяется как колебания относительно небольшой амплитуды вокруг состояния покоя. Она возникает в результате воздействия на упругие системы периодических возмущающих сил. Проявление вредного воздействия вибрации весьма многообразны — от негативного влияния на организм человека до нарушения режимов работы установок и механизмов и выхода их из строя. Поэтому большое значение в современной технике и, особенно в судостроении, имеют методы защиты человека и конструкций, подверженных влиянию вибрации.

Существующие методы виброзащиты разнообразны, и выбор того или иного способа в значительной мере определяется характером источника вибрации. В качестве таковых источников могут выступать как природные явления (ветер, волны на поверхности воды), так и собственно работающие механизмы. Причём с повышением мощности, производительности и скорости машин вредное воздействие порождаемой ими вибрации возрастает.

Так как в большинстве рассмотренных случаев оказать значительное влияние на источник вибрации невозможно, то приходится применять в целях виброзащиты различные технические устройства, снижающие колебания объекта защиты или усилия, передаваемые на основания.

Одним из наиболее перспективных направлений в виброзащите является применение управляемых динамических виброгасителей.

Данный тип устройств объединяет в себе достоинства как пассивных, так и активных устройств и позволяет добиться качественного виброгашения в широком диапазоне частот.

Вместе с тем, существующим сегодня схемным решениям управляемых виброгасителей присущ ряд недостатков, существенно снижающих их эффективность при применениях на судах. К таким недостаткам можно отнести следующие.

• Сложность конструкции используемых динамических виброгасителей. В используемых схемах для более эффективного виброгашения часто применяются дополнительные элементы (массы, рычаги и т.д.), что не только увеличивает массогабаритные характеристики устройств, но и значительно снижает их надёжность.

• Сложность и дороговизна систем управления частотной настройкой виброгасителей. В системах управления необходимо применять высокоточные датчики частоты, перемещения и т.д., а также целый спектр устройств, таких как различного рода усилители, преобразователи и фазовые дискриминаторы. Это существенно увеличивает стоимость устройства и его монтажа, а также требует для его обслуживания высококвалифицированного персонала.

• В существующих системах редко учитываются динамические режимы, в которых система может оказаться неустойчивой.

• В устройствах с широким диапазоном рабочих частот жесткость упругих элементов необходимо также изменять в широком диапазоне, что требует достаточно мощных исполнительных устройств и ведёт к значительному энергопотреблению.

• В случаях, если определённый уровень колебаний является для машины нормальным рабочим режимом (например, для грохота, или вибротранспортёров) и необходимо обеспечить работу системы при различных амплитудах колебаний отличных от нуля, большинство схемных решений вообще не пригодно в силу самой идеи динамического виброгашения, при которой на рабочей частоте колебания объекта защиты должны быть в идеале равными нулю.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что при всех достоинствах виброзащитных систем на базе управляемых виброгасителей они в своей реализации требуют новых нестандартных решений, позволяющих преодолеть указанные выше недостатки.

В данной работе рассмотрены вопросы применения виброзащитных систем на базе управляемых динамических колебаний на судах и стационарных объектах. Указаны их достоинства и недостатки, а также возможные сферы применения.

Проведённый патентный поиск и сопоставительный анализ различных схем и конструктивных решений виброзащиты позволил определить одну из наиболее рациональных конструкций управляемого динамического виброгасителя и разработать ряд новых решений в реализации управляемых гасителей колебаний, позволяющих решить большинство проблем, связанных с использованием устройств такого рода. Проведённые исследования показали, что разработанное устройство может использоваться для обеспечения высокоэффективной виброзащиты разнообразных механизмов как на судах, так и на других технических объектах.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Жаров, Алексей Валерьевич

4.7 Выводы по главе:

1. Хорошую сходимость (в среднем, 80%) экспериментального и расчётного значений амплитуд в рабочем диапазоне частот;

2. В рабочем диапазоне частот от 0,5 до 1,2 от частоты настройки системы (см п. 3.3), устройство обладает достаточно высокой эффективностью. В рабочей точке было достигнуто снижение амплитуды колебаний в 3,5 раза.

3. В рабочем диапазоне частот устройство снижает уровни виброускорений на 10 - 20 дБ.

4. Применение разработанной виброгасящей системы позволяет в 3-4 раза снизить усилия, передаваемые на фундамент.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что из существующих средств виброгашения наиболее эффективными являются устройства, использующие для снижения вибраций энергию внешнего источника. Вместе с тем, из данного класса устройств можно особо отметить управляемые виброзащитные системы, построенные на базе динамических гасителей колебаний. Для таких систем хаш рактерны простота, дешевизна и малость энергетических затрат, необходимых для активного воздействия при их резонансной настройке.

2. Для ДГК предложенной конструкции получены формулы движения основной массы системы (2.48) и массы динамического гасителя (2.49). Данные формулы имеют более простой вид, чем предложенные ранее /45/ и позволяют, в отличие от последнего, использовать для определения оптимальных параметров гасителя уже существующий математический аппарат.

3. Показано, что при расчёте параметров динамического гасителя колебаний необходимо учитывать динамические режимы системы, так как час* то, виброзащитная система, спроектированная таким образом, что удовлетворяет всем жестким требованиям качества в стационарном режиме, мало эффективна в переходных режимах.

4. Определено, что коэффициент трения в основной пружине ДГК оказывает значительное влияние как на амплитудно-частотную характеристику системы, так и на вид её переходных процессов. Поэтому учёт и правильный выбор данного коэффициента обязателен.

5. Определено, что вид статических и динамических характеристик системы обусловлен величиной жёсткости С0 основного упругого элемента подвески объекта защиты. От значения жёсткости С0 зависит и устойчивость Ц системы.

6. Для систем с динамическим гасителем предложенного типа, разработана методика расчёта параметров ДГК, которая позволит обеспечить наиболее качественное виброгашение в широком диапазоне частот.

7. Предложен новый метод регулирования трения в подвеске ДГК, позволяющий значительно снизить амплитуды резонансных пиков и, в то же время осуществить максимально эффективное виброгашение на рабочей частоте.

8. Предложен новый метод частотной подстройки ДГК, основанный на синхронном изменении основной и дополнительной жесткостей подвески гасителя и позволяющий при любой частоте возмущающего воздействия сохранить настройку гасителя на оптимальном уровне

9. На основе предложенных методов теоретически обоснована и разработана конструкция управляемого ДГК с изменяющимися значениями жесткостей в подвеске гасителя.

10. Проведены лабораторные исследования управляемого ДГК предложенной конструкции, которые подтверждают достоверность теоретических расчётов.

11. Проведены натурные исследования управляемого ДГК предложенной конструкции, показавшие значительное снижение вибраций, передаваемых от рамы дизель-генератора на фундамент.

12. Материалы теоретических и экспериментальных исследований, изложенные в диссертации, приняты Новосибирским речным портом для внедрения на речных судах. Отдельные результаты данной работы используются в учебном процессе НГАВТ при дипломном проектировании.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жаров, Алексей Валерьевич, 2005 год

1. Абу-Акилл. Электромагнитный виброгаситель, как пассивное или активное устройство Текст. // Тр. америк. о-ва инженеров-механиков "Конструирование и технология машиностроения". Т.89, №4. - С. 166 — 178. - (Серия В).

2. А. с. 133720 СССР, МПК F 16 f. Способ изменения амплитуд колебаний механических систем Текст. / Шейнин И. С., Корнев Б. Г. (СССР). № 664744/29; заявл. 26.04.1960; опубл. Бюл. №22, 1960.

3. А. с. 244816, МПК F 06 f. Гидравлический амортизатор Текст. / Гельман А. С., Фурман Ф. А., Ворончихин Ф. Г. (СССР). №1173339/29-14; заявл. 07.07.1968; опуб. Бюл. №18, 1969.

4. А. с. 257230, МПК F 16 f 15/00. Демпфер сухого трения Текст. / Ши-лин Б. Б., Шилин Б. В., Краст Ю. Я. (СССР) №1265607/25-28; заявл. 09.08.1968; опуб. в Бюл. №35, 1970.

5. А. с.259569, МПК F 06 f. Устройство для амортизации Текст. / Шилин 4 В. Б., Васерманис Э. К. (СССР) №1263035/25-28; заявл. 09.08.1968; опуб. в1. Бюл №2, 1970.

6. А. с. 261831, МПК F 16 f. Виброизолирующая опора Текст. / Пуш В. Э., Ривин Е. И., Шмаков В. Т. (СССР) №1281157/25-28; заявл. 11.11.1968; опуб. в Бюл. №5, 1970

7. А. с. 411246 , МПК F 16 f. Устройство для амортизации Текст. / Ривин Е. И. (СССР) №3251150/25-28; заявл. 10.12.1975; опуб. в Бюл. №2, 1977.

8. Алексеев, А. М. Судовые виброгасители Текст. / А. М. Алексеев, А. К. Сборовский — Л.: Судпромгиз, 1962. 196 с.

9. Андреева-Галанина, Е. Ц. Вибрация и её значение в гигиене труда Текст. / Е.Ц. Андреева-Галанина — Л.: Медгиз, 1956. — 190 с.

10. Ю.Барановский, А. М. Объёмные корректоры виброизолирующих подвесок судовых ДВС: автореферат. дис. канд. тех. наук Текст. / Барановский Александр Михайлович. — Л.: [б.и.], 1988. — 20 с.

11. Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического управления Текст. / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов. СПб.: Профессия, 2003. - 752 с.

12. Пассивная и активная виброзащита судовых механизмов Текст. / А. Е. Божко [и др.]. — Л.: Судостроение, 1987 176 с.

13. Вибрация в технике: справочник. В 6 т. Т. 6 Текст. /под ред. В. Н. Че-ломея. М.: Машиностроение, 1984.

14. Вибрация корпуса судна и отдельных корпусных конструкций: сб. статей. Л.: Судостроение, 1972. - 91 с.

15. Гаврилов, М. Н. Защита от шума и вибрации на судах Текст. / М. Н. Гаврилов, В. К. Захаров М.: Транспорт, 1979. - 120 с.

16. Гевондян, Т. А. Приборы для измерения и регистрации колебаний Текст. / Т. А. Гевондян, Л. Т., Кисилёв. М., 1962.

17. Гладких, П. А. Борьба с шумом и вибрацией в судостроении Текст. / П. А. Гладких. Л.: Судостроение, 1971. - 176 с.

18. Глушков, С. П. Виброизоляция тепловых двигателей Текст. / С. П. Глушков. Новосибирск, 1999.

19. Глушков, С.П. Анализ пассивных виброзащитных систем Текст. / С. П. Глушков, В. Ю. Гросс, А. В. Жаров // Дизельные энергетические установки речных судов: сб. науч. тр. / НГАВТ. Новосибирск, 2002. - С. 37 - 48.

20. Горбацевич, Е. Д. Аналоговое моделирование систем управления Текст. / Е. Д. Горбацевич, Ф. Ф. Левинзон. М.: Наука, 1984. - 304 с.

21. Горбунов, Е. Я. Вибрация судовых дизель-генераторов 8 ЧН26/26 и эффективность их автоматизации Текст. / Е.Я. Горбунов // Судовые энергетические установки: сб. науч. тр. / ЦНИИМФ. Л., 1984. - Вып. 287. - С. 3438.

22. Гордон, А. В. Электромагниты постоянного тока Текст. / А. В. Гордон, А. Г. Сливинская. М.: Госэнергоиздат, 1960.

23. Гросс, В. Ю. Эффективный метод виброизоляции судовых ДВС: автореферат дисс. канд. техн. наук Текст. / Гросс Владимир Юлиусович. — JL, 1987.-23 с.

24. Гультяев, А. Визуальное моделирование в среде MATLAB Текст. / А. Гультяев. СПб.: Питер, 2000. - 430 с.

25. Гуров, А. П. Статические характеристики системы с динамическим регулируемым виброгасителем Текст. / А. П. Гуров // Труды НКИ. Николаев, 1974.-Вып. 81.-С. 124-126.

26. Гуров, А. П. Управляемые динамические виброгасители для энергетического оборудования Текст. / А. П. Гуров, А. И. Козленко, А. Г. Ковалев. -Л., 1989. 72 с.

27. Д'Анжело, Г. Линейные системы с переменными параметрами. Анализ и синтез Текст. / Г. ДАнжело. М.: Машиностроение, 1974. - 287 с.

28. Ден-Гартог, Дж. П. Механические колебания Текст. / Дж. П. Ден-Гартог. -М.: Физматгиз, 1960.

29. Способ гашения крутильных колебаний вала и устройство для его осуществления: а. с. 529315 СССР Текст. / С. В. Елисеев. Бюл. 1976, № 22.

30. Елисеев, С. В. Динамические гасители колебаний Текст. / С. В. Елисеев, Г. П. Нерубенко. Новосибирск: Наука, 1982. — 144 с.

31. Елисеев, С. В. Структурная теория виброзащитных систем Текст. / С. В. Елисеев. Новосибирск: Наука, 1978. -222 с.

32. Ефремов, Л. В. Надёжность и вибрация дизельных установок промысловых судов Текст. / Л. В. Ефремов. М., 1980 - 232с.: ил.

33. Жаров, А. В. Математическое описание динамического гасителя Текст. / А. В. Жаров // Дизельные энергетические установки речных судов: сб. науч. тр. / НГАВТ. Новосибирск, 2002. - С. 48 - 55.

34. Жаров, А. В. Определение оптимальных параметров системы с динамическим гасителем колебаний. Текст. / А. В. Жаров // Сибир. науч. вест. -Новосибирск, 2003. Вып. IV. - С. 83 - 88.

35. Застрогин, Ю. Ф. Лазерные приборы вибрационного контроля Текст. / Ю. Ф. Застрогин, О. Ю. Застрогин, А. 3. Кулебякин. М., 1995. - 315 с.

36. Зуев, А. К. Высокоэффективная виброизоляция судового энергетического оборудования Текст. /А. К. Зуев, О. Н. Лебедев. Новосибирск: НГАВТ, 1997. - 120 с.

37. Истомин, П. А. Крутильные колебания в судовых ДВГ Текст. / П. А. Истомин. Л.: Судостроение, 1968. - 304 с.

38. Карамышкин, В. В. Динамическое гашение колебаний Текст. / В. В. Карамышкин. Л.: Транспорт, 1988. - 108 с.

39. Карась, В. 3. Влияние жёсткости амортизаторов дизель-генераторов на их виброхарактеристики Текст. / В. 3. Карась, Э. Р. Черняховский // Рыбное хозяйство. 1975. - №7. - С. 22-24.

40. Карпова, Н. И. Вибрация и нервная система Текст. / Н. И. Карпова. -Л.: Медицина, 1976. -167 с.

41. Кораблёв, С. С. К теории электродинамического виброгасителя Текст. /С.С. Кораблев //Прикладная механика. 1968. - Т.4., Вып. 3. - С. 15-19.

42. Кораблёв, С. С. О некоторых динамических схемах электромеханических виброгасителей Текст. / С. С. Кораблев, В. И. Шанин // Вопросы математической физики и теории колебаний. Иваново, 1976. - С. 19 — 30.

43. Кроха, Т. А. Исследование электромеханических гасителей колебаний мобильных объектов: дис. . канд. техн. наук Текст. / Кроха Т.А. — Новосибирск, 2000.-111 с.

44. Морозов, Б. И. Активная виброзащита с помощью автоматического регулирования Текст. / Б. И. Морозов, Р. И. Райхлин // Вибрационная техника.- 1967. №2. - С. 24-30.

45. Найденко, О. К. Амортизация судовых двигателей внутреннего сгорания Текст. / О. К. Найденко, П. П. Петров. JL: Судпромгиз, 1962. — 288 с.

46. Никитин, Н. Н. Курс теоретической механики Текст. / Н. Н. Никитин.- М.: Высш. шк., 1990. 607 с.

47. Никифоров, А. С. Вибропоглощение на судах Текст. / А. С. Никифоров. JL: Судостроение, 1979. - 184 е.: ил.

48. Обморшев, А. Н. Введение в теорию колебаний Текст. / А.Н. Обмор-шев М.: Наука, 1965. - 276 с.

49. Общая вибрация и её влияние на организм человека Текст. / И. Ю. Борщевский [и др.] М.: Медгиз, 1964. - 156 с.

50. Пановко, Я. Г. Основы прикладной теории упругих колебаний и удара Текст. / Я. Г. Пановко. JL: Машиностроение, 1976. - 320 с.

51. Пат. 2082907 Российская Федерация, МКИ3 F02M 32/12. Устройство для виброизоляции машин Текст. / С. П. Глушков, А. М. Барановский. -опубл. 23.12.97, Бюл. №186 2 с.

52. Пат. 2067703 МКИ3 F16A 15/00. Динамический гаситель колебаний Текст. / Г. А. Павлов, М. Н. Ларин. опуб. 10.10.96, Бюл. №28.

53. Попов, Е. П. Автоматическое регулирование и управление Текст. / Е.П. Попов. М.: Наука, 1966. - 338 с.

54. Попов, Е. П. Динамика систем автоматического регулирования Текст. / Е.П. Попов. М.: Гостехиздат, 1954. - 779 с.

55. Популярная медицинская энциклопедия Текст./ под ред. Б.В.Петровского. -М.: Сов. энцикл., 1987. 704 е.: ил.

56. Постнов, В. А. Вибрация корабля: учебник Текст. / В. А Постнов, В. С. Калинин, Д. М. Ростовцев. -JI.: Судостроение, 1971. 176 с.

57. Регистрирующая аппаратура виброзащиты судовых механизмов Текст. / под ред. Божко А. Е. [и др.]. JL: Судостроение, 1987. - 115с.

58. Системы цифровой обработки, применяемые при анализе вибрации Текст. /под ред. Алексеева М. И. М., 1991. — 153 с.

59. Сливинская, А. Г. Электромагниты и постоянные магниты Текст. / А. Г. Сливинская. М.: Энергия, 1972. - 248 е.: ил.

60. Тимошенко, С. П. Колебания в инженерном деле Текст. / С. П. Тимошенко. М.: Наука, 1967. - 444 с.

61. Фролов, К. В. Прикладная теория виброзащитных систем Текст. / К. В. Фролов, Ф. Н. Фурман. — М.: Машиностроение, 1980. — 276 с.

62. Фурунжиев, Р. И. Проектирование оптимальных виброзащитных систем Текст. / Р. И. Фурунжиев. Минск, 1971. - 318 с.

63. Худяков, С. А. Оценка жёсткости фундаментов судовых дизелей небольшой мощности Текст. / С. А. Худяков, А. П. Суроженко. // Сб. материалов по обмену опытом. / НТО им. А. Н. Крылова. — 1984. С. 64 - 72.

64. A design procedure for minimizing propeller induced vibration in hull structural elements// Ship structure committee, 1979. 57 c.

65. C. Williams Vibration in ship. / Williams C. Worldwide, 1990. - 101 c.

66. David Grieve The Control of Vibration Электронный ресурс. 2000

67. Taylor, D.P. History, design, and applications of fluid dampers Текст. / D. P. Taylono Ballantine Books, Inc. - New York, 1999. - 62 c.

68. Taylor, D.P. Development and Testing of an Improved Fluid Damper Configuration for Structures having High Rigidity Текст. / D. P. Taylor, M.C. Con-stantinou. // Proceedings of the 69th Shock and Vibration Symposium, 1998.

69. Taylor, D.P., Constantinou, M.C. Development and Testing of an Improved Fluid Damper. Текст. //Proceedings of the 69th Shock and Vibration Symposium, 1998. с 38 45

70. Viner F. C. Ship vibration of Canadian shipbuilding and ship repairing association Текст./ F. C. Viner, New York, 1968. 120 c.