ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДОВ СУДОВ
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
(кандидат технических наук, доцент; доцент кафедры судостроения и энергетических комплексов морской техники )
Россия
Россия
2.
Астраханский государственный технический университет
(доктор технических наук, доцент; профессор кафедры судостроения и энергетических комплексов морской техники )
3.
Каспийский институт морского и речного транспорта им. генерал-адмирала Федора Матвеевича Апраксина, филиал Волжского государственного университета водного транспорта
(кандидат технических наук; доцент кафедры судомеханических дисциплин )
Тип:
Статья
Страницы:
с 21
по 26
Статус:
Опубликован
Получено:
20.02.2015
Одобрено:
21.02.2020
Опубликовано:
25.02.2015
Классификаторы:
УДК 629.5.035-233.1-233.2:534
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
судовой валопровод, дейдвудный подшипник, параметрические колебания, отрыв вала
Аннотация (русский):
Рассмотрен вопрос о возникновении параметрических колебаний судовых валопроводов. Отмечено, что результатом износа кормового дейдвудного подшипника является утрата работоспособности всего судна. Показано снижение значения собственной частоты при поперечных колебаниях при увеличении зазора в дейдвудном устройстве. Отмечена возможность отрыва вала при достаточном износе подшипника. Сделан вывод о том, что величина отрыва зависит от величины износа. В качестве расчетного примера предложен случай отрыва гребного вала от кормового дейдвудного подшипника при поперечных колебаниях. Описаны спроектированная экспериментальная установка и измерительная система для исследования механических перемещений балки. Утверждается, что при совпадении частот вынужденных и собственных колебаний амплитуда колебаний системы максимальна, поэтому наибольший размах амплитуды соответствует резонансной частоте. В ходе испытаний на экспериментальной установке поперечных колебаний балки в дорезонансной и резонансной зонах замечен отрыв балки от втулки. Представлены показания осциллографа и формы сигнала напряжения по времени для колебаний балки на точечной и протяженной опорах. Отмечено увеличение интенсивности отрыва при увеличении зазора между втулкой и балкой, а также отличие значений собственной частоты балки на протяженной опоре от значений частоты на точечной опоре.
Рассмотрен вопрос о возникновении параметрических колебаний судовых валопроводов. Отмечено, что результатом износа кормового дейдвудного подшипника является утрата работоспособности всего судна. Показано снижение значения собственной частоты при поперечных колебаниях при увеличении зазора в дейдвудном устройстве. Отмечена возможность отрыва вала при достаточном износе подшипника. Сделан вывод о том, что величина отрыва зависит от величины износа. В качестве расчетного примера предложен случай отрыва гребного вала от кормового дейдвудного подшипника при поперечных колебаниях. Описаны спроектированная экспериментальная установка и измерительная система для исследования механических перемещений балки. Утверждается, что при совпадении частот вынужденных и собственных колебаний амплитуда колебаний системы максимальна, поэтому наибольший размах амплитуды соответствует резонансной частоте. В ходе испытаний на экспериментальной установке поперечных колебаний балки в дорезонансной и резонансной зонах замечен отрыв балки от втулки. Представлены показания осциллографа и формы сигнала напряжения по времени для колебаний балки на точечной и протяженной опорах. Отмечено увеличение интенсивности отрыва при увеличении зазора между втулкой и балкой, а также отличие значений собственной частоты балки на протяженной опоре от значений частоты на точечной опоре.
Ключевые слова:
судовой валопровод, дейдвудный подшипник, параметрические колебания, отрыв вала
судовой валопровод, дейдвудный подшипник, параметрические колебания, отрыв вала
Введение В процессе эксплуатации судового валопровода происходит износ дейдвудных подшипников. Самым нагружаемым дейдвудным подшипником является кормовой. Периодичность выполнения ремонта дейдвудного устройства зависит от величины зазора между гребным валом и его кормовым дейдвудным подшипником, который в процессе эксплуатации увеличивается. В процессе износа подшипника и действия знакопеременных нагрузок, как отмечается в [1-3], возникают поперечные, крутильные и продольные колебания. Явление резонанса колебаний может возникнуть даже при рабочих частотах самого валопровода, поэтому при увеличении износа значение собственной частоты при поперечных колебаний понижается. При поперечных колебаниях валопровода возможен отрыв вала от изношенных дейдвудных подшипников (рис. 1), что является причиной возникновения параметрических колебаний. Рис. 1. Общий вид отрыва гребного вала от кормового дейдвудного подшипника при поперечных колебаниях Величина отрыва вала зависит от величины износа дейдвудных подшипников. Экспериментальное исследование Для оценки влияния отрыва валопровода от дейдвудных подшипников при поперечных колебаниях была спроектирована экспериментальная установка (рис. 2) [4]. Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки: 1 - асинхронный двигатель; 2 - диск; 3 - протяженная опора; 4 - точечные опоры; 5 - балка круглого сечения; 6 - рама; 7 - преобразователь частот; 8 - коромысло; 9 - пружина; 10 - нажимное устройство; 11 - опора; 12 - направляющие: 13 - кулачок Принцип работы экспериментальной установки состоит в следующем. При вращении асинхронного двигателя 1 кулачок 13, через коромысло 8 сжимает пружину 9, которая служит для создания возвратно-поступательного движения и переменной силы F через нажимное устройство 10 на диск 2, который устанавливается на конце круглой балки, имитирующей валопровод судна. Протяженная опора 3, моделирующая кормовой дейдвудный подшипник, состоит из корпуса и вкладыша. Материал опоры - капролон. Величины F устанавливаются в зависимости от режима испытания. Частоту возбуждающей нагрузки регулируют изменением скорости вращения вала асинхронного двигателя 1 через преобразователь частоты переменного тока 7. Нагрузку на диск 2 изменяют и регулируют положением опоры 11 коромысла 8, для чего ее перемещают по направляющим 12. Так как точка приложения силы F смещена относительно оси балки 5 на величину h (эксцентриситет), то на балку, протяженный подшипник 3 и точечные опоры 4, имитирующие систему валопровода судна, помимо продольной силы F, действует переменный изгибающий момент. Измерительная система для исследования механических перемещений балки экспериментальной установки представляет собой устройство, которое состоит из потенциометра, последовательно соединённого с балластным резистором, работающим по потенциометрической схеме. Потенциометр представляет собой резистор с подвижным отводным контактом и является регулятором напряжения. Подвижный отводной контакт механически соединён с колеблющейся балкой экспериментальной установки. При колебании балки происходит вращение потенциометра, при этом изменяется его сопротивление. Для регистрации изменений нагрузки используется осциллограф марки С1-83. На вход осциллографа подаётся напряжение, пропорциональное омическому сопротивлению резистора, тем самым фиксируется амплитуда колебаний балки экспериментальной установки. При каждой частоте ν осциллографом измеряется прогиб колебаний на конце балки. Из теории колебаний известно, что при совпадении частот вынужденных и собственных колебаний амплитуда колебаний системы максимальна, поэтому наибольший размах амплитуды будет соответствовать собственной частоте (резонансная частота). Для определения влияния величины отрыва вала от дейдвудного подшипника на значение собственной частоты рассмотрим результаты колебания балки диаметром d = 14 мм и длиной L = 1 600 мм на точечной и протяженной (рис. 3) опорах с массой диска равной 2 кг и длиной протяженной опоры 25 мм. а б Рис. 3. Расчетная схема балки экспериментальной установки: а - точечная опора; б - протяженная опора На диск массой 2 кг действует усилие F = 20 Н. Частота действия силы регулируется преобразователем частоты 7 (см. рис. 2). Величина зазора у между балкой и капролоновой втулкой изменялась от 0 до 5 мм (рис. 4). Рис. 4. Общий вид исследуемого узла В ходе испытаний на экспериментальной установке поперечных колебаний балки в дорезонансной и резонансной зонах замечен отрыв балки от втулки. При увеличении зазора отрыв становится интенсивнее (рис. 5). а б Рис. 5. Колебания балки на точечной опоре: а - показания осциллографа; б - форма сигнала напряжения по времени Значение собственной частоты балки при поперечных колебаниях на протяженной опоре, по сравнению с частотой колебаний на точечной опоре изменялось и имело уже не конкретное значение собственной частоты, а целый диапазон частот (рис. 6). а б Рис. 6. Колебания балки на протяженной опоре с зазором: а - показания осциллографа; б - форма сигнала напряжения по времени Основной характеристикой для сравнения служит размах колебаний R, полученный в результате эксперимента. Данный показатель характеризует разброс выборки N и является разностью между максимальной и минимальной величинами данного конкретного вариационного ряда колебаний, т. е. R = νmax - νmin. Значения R при колебаниях балки на точечных опорах не превышают 0,2 с-1 (табл. 1). Однако при колебаниях балки на протяженной опоре длиной 25 мм с увеличением зазора между валом и капролоновой втулкой значение R увеличивалось на 0,3 с-1 (табл. 2). Таблица 1 Значение собственной частоты балки диаметром 14 мм на точечных опорах l4, м N = 20 νср, c-1 νmax, c-1 νmin, c-1 R, c-1 ν, c-1 n ν, c-1 n ν, c-1 n 0,2 11,9 7 12 6 12,1 7 12 12,1 11,9 0,2 0,3 9,3 9 9,4 4 9,5 7 9,39 9,5 9,3 0,2 0,4 7,5 8 7,6 6 7,7 6 7,59 7,7 7,5 0,2 Таблица 2 Значение собственной частоты балки диаметром 14 мм на протяженной опоре длиной 25 мм y, мм Параметр N = 20 νср, c-1 νmax, c-1 νmin, c-1 R, c-1 0 ν, c-1 12,3 12,4 12,5 12,6 12,7 - 12,48 12,7 12,3 0,4 n 5 5 2 5 3 - - - - - 1 ν, c-1 11,9 12,0 12,1 12,2 12,3 - 12,15 12,3 11,9 0,4 n 4 2 2 4 8 - - - - - 2 ν, c-1 11 11,1 11,2 11,3 11,4 11,5 11,29 11,5 11 0,5 n 3 2 4 2 3 6 - - - - 3 ν, c-1 10,3 10,4 10,5 10,6 10,7 - 10,5 10,7 10,3 0,4 n 4 4 3 6 3 - - - - - 4 ν, c-1 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 9,8 9,62 9,8 9,3 0,5 n 4 3 2 2 4 5 - - - - 5 ν, c-1 8,4 8,5 8,6 8,7 8,8 8,9 8,67 8,9 8,4 0,5 n 4 2 3 3 3 5 - - - - Проведенные экспериментальные исследования позволяют оценить влияние величины зазора на значение собственной частоты при поперечных колебаний, а также сравнить характер колебаний балки на точечной и протяженной опорах. Заключение Как показал эксперимент, с увеличением зазора и изменением формы рабочей поверхности втулки, которая моделирует износ кормового дейдвудного подшипника, разброс частот становится больше. Это означает, что в двигательно-движительной системе судна возможно возникновение параметрических колебаний валопровода. Изучение параметрических колебаний позволит глубже понять процессы, происходящие в дейдвудном устройстве, и прогнозировать работоспособность судового валопровода с учетом износа дейдвудных подшипников.
1. Виноградов С. С. Износ и надёжность винторулевого комплекса судов / С. С. Виноградов, П. И. Гавриш. М.: Транспорт, 1970. 232 с.
2. Балацкий Л. Т. Эксплуатация и ремонт дейдвудных устройств морских судов / Л. Т. Балацкий, Т. Н. Бегагоен. М.: Транспорт, 1975. 160 с.
3. Балацкий Л. Т. Повреждение гребных валов / Л. Т. Балацкий, Г. Н. Филимонов. М.: Транспорт, 1970. 140 с.
4. Халявкин А. А. Экспериментальная установка для исследования поперечных и продольных колебаний валопроводов судов / А. А. Халявкин, М. П. Комаров, В. А. Мамонтов, А. Х. Саламех // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2012. № 2. С. 41-44.
