автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Оценка технического состояния валовых линий эксплуатируемых судовых энергетических установок

>ы>ыл э.-.зе?.<шляо ;

< ^

На правах рукописи

ШТЕЛЬМАХ СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВАЛОВЫХ ЛИНИЙ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ДЕК 2009

Новосибирск - 2009

003487312

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Глушков Сергей Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лебедев Борис Олегович

доктор технических наук, профессор Ордин Александр Александрович

Ведущая организация: ОАО «Иртышское речное пароходство»

Защита состоится «25» декабря 2009 г. в 12-00 часов (ауд. 227) на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по адресу: 630099, г.Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, ФГОУ ВПО «НГАВТ» (тел/факс (8383)-222-49-76, E-mail: ngavt@ngs.ru; ese sovet@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Автореферат разослан «25» ноября 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

Малышева Е.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных проблем современного дизелестроения является последовательное улучшение удельных энергетических массогабаритных, экономических характеристик, которая наиболее полно решается путем форсирования рабочих процессов. В этих условиях судовые энергетические установки становятся более чувствительны к уровню, характеру эксплуатационных нагрузок и качеству технического обслуживания.

Для судовых ДВС в условиях реальной эксплуатации наиболее характерен широкий диапазон изменения скоростного и нагрузочного режимов, и в связи с этим возникают динамические явления в системе ДВС-гребной винт, которые отрицательно сказываются на техническом состоянии всей энергетической установки.

По мере отклонения параметров СЭУ на эксплуатационных режимах соответствующие расчетные значения динамических характеристик отдельных агрегатов и узлов, а в целом и всей силовой установки, также имеются отклонения относительно расчетных оптимальных уровней колебаний.

Следовательно, экономические, эксплуатационные и технические показатели будут ниже возможных, заложенных в конструкции СЭУ, и по мере наработки эти показатели все больше расходятся.

Работа силовой установки нередко прерывается из-за неожиданных поломок. Анализ технического состояния СЭУ показывает, что из-за поломок постоянно не работает до 20% механизмов. Крайне неприятным обстоятельством является невозможность предсказать поломки.

Большее число непредвиденных дефектов приходится на детали механизмов, которые недоступны для непосредственного контроля. К таким деталям относятся: коленчатый вал, ЦПГ, подшипники и шестерни. Разборка машины с целью контроля состояния отдельных ее узлов сопряжена с большими трудностями и часто бывает неоправданной, приводящей впоследствии к ускорению износа деталей, так как нарушает приработку сопряжений. Цена, которую платим, за неумение определять состояние узлов и деталей машин без их разборки, громадна.

Например, на ремонт СЭУ тратится до 20-25% бюджета организаций и предприятий, а на запасные части расходуется столько же металла, сколько уходит на изготовление новых. Существенно возможно было бы намного сократить эти затраты, если создать приборы, позволяющие точно определить момент, когда те или иные узлы энергетических установок потребуют восстановления своей работоспособности.

Отсутствие системного подхода к анализу физических процессов, вызывающих ухудшение технического состояния машин и механизмов, определяет актуальность разработки новых путей оценки их показателей в условиях эксплуатации и критериев согласования с потребителем.

Практический опыт, накопленный в различных отраслях промышленности и транспорта, свидетельствует о том, что наиболее перспективным направлением совершенствования контроля над протеканием изменений параметров судовой энергетической установки является безразборная диагностика. Разработка и внедрение систем технического диагностирования позволяет повысить надежность СЭУ, сократить трудоемкость ремонтов, существенно улучшить эксплуатационную экономичность и производительность агрегатов, а также прогнозировать остаточный ресурс.

Цель работы. Повышение надежности валовых линий судовых энергетических установок на основе создания средств диагностирования по параметрам крутильных колебаний.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализ существующих средств диагностирования крутильных колебаний и на основе этого, формирование физических предпосылок для создания новых технических средств диагностирования, для повышения эффективности их использования в реальных условиях.

2. Исследование динамических характеристик валовых линий СЭУ, возникающих при эксплуатации.

3. Оценка работоспособности вычислительно-измерительного комплекса путем сопоставления результатов расчета с экспериментально полученными данными.

4. Разработка критериев оценки технического состояния валовых линий СЭУ во время эксплуатации.

Методика исследования. При решении поставленных задач использовались как теоретические, так и экспериментальные методы исследований. Расчеты собственных частот валовых линий и амплитуд крутильных колебаний выполнялись математическим моделированием с помощью ПК.

Получение динамических характеристик эксплуатируемых СЭУ осуществлялось безразборным методом с помощью автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса.

Сравнительные испытания судовых валопроводных линий с различным техническим состоянием проводились как на лабораторном стенде, так и на различных судах.

Полученные в ходе экспериментального исследования данные обрабатывались на компьютере с применением теории планирования экспериментов. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена практической реализацией методов и технических средств.

Научная новизна работы, заключается в получении новых экспериментальных результатов и в их теоретическом описании:

1. Разработана методика определения динамических характеристик, основанная на частотном методе, для исследования изменений технического состояния валовых линий СЭУ при усталостной наработке.

2. Проведено математическое обоснование использования частотного метода оценки динамических показателей системы: СДВС -валопровод - грибной вннт.

3. Применен автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс БАГС-4 для безразборного диагностирования технического состояния валовых линий СЭУ в процессе эксплуатации.

4. Определены критерии оценки технического состояния валовых линий СЭУ во время эксплуатации.

5. Проведена апробация предложенного способа вибродиагностики на силовых установках речных теплоходов.

Практическая ценность работы заключается в том, что представленный способ диагностики технического состояния судовых валовых линий позволяет оперативно и, главное, без дополнительных повреждений конструкций, выявить возникшие в них напряженно-деформационные состояния и оценить остаточную работоспособность деталей.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные положения работы представлялись и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях: межвузовской научной конференции «Философия науки и техники» (г. Новосибирск, 2008г.); 1-ой международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (г. Курск, 2009г.); IV всероссийской конференции - семинаре «Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы» (г. Сызрань, 2009г.); международной конференции «Инноватика - 2009» (г. Махачкала, 2009г.) и научно-технических конференциях в Новосибирской государственной академии водного транспорта в 2007-2009 гг.

Лнчный вклад автора. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач, методология их решения и экспериментальное исследование динамических процессов проведены автором самостоятельно.

На защиту выносятся следующие положения:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований динамических характеристик валовых линий СЭУ.

Определение технического состояния судовых валопроводов с учетом усталостной наработки.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на нескольких конференциях: на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и инженерно-технических работников речного транспорта и других отраслей (г.

Новосибирск, 2007), на межвузовской научной конференции «Философия науки и техники» (г. Новосибирск, 2008), на международной конференции «Инноватика-2009» (г. Махачкала, 2009), на первой международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (г. Курск, 2009), на четвертой Всероссийской конференции-семинаре «Научно техническое творчество: проблемы и перспективы» (г. Сызрань, 2009).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в десяти печатных работах, в том числе в четырех статьях периодического издания по перечню ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 151 страницах, состоит из введения, четырех глав и основных выводов по диссертации и содержит 37 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 89 источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследований с целью повышения надежности валовых линий судовых энергетических установок. Указано, что перспективными являются исследования динамических характеристик СЭУ при циклической наработке.

Сформулирована научная новизна, практическая ценность результатов и цель работы.

Первая глава посвящена анализу технического состояния валовых линий СЭУ. Особый интерес представляют методы, позволяющие определить техническое состояние валовой группы и прогнозировать ее работоспособность на всех этапах функционирования судовых энергетических установок.

Актуальным является вопрос о разработке неразрушающих способов, позволяющих определить положение высоконагруженных, то есть слабых мест, в которых при дальнейшей наработке возникнут усталостные трещины, сравнить долговечности деталей и определить усталостные характеристики. Большое число непредвиденных дефектов приходится на те детали механизмов, которые недоступны для непосредственного контроля.

Кроме того, опыт эксплуатации и ремонта машин показывает, что разборка механизмов приводит к ускорению износа деталей, так как нарушает приработку сопряжений.

Техническое состояние сборных конструкций СЭУ можно определить по:

- концентрации продуктов изнашивания в смазочном масле;

- эмиссии волн напряжений;

- токовихревой дефектоскопии;

- тепловому и магнитному контролю.

Но всем этим методам присущ существенный недостаток — в условиях эксплуатации невозможно определить зарождение или наличие трещин, расслоений и дефектов. Поэтому контроль изменения динамических

характеристик в объектах более существенен, чем однократная проверка абсолютных значений вышеперечисленными методами. Так как этот метод отражает развитие дефекта во времени и появляется возможность прогнозирования технического состояния объектов и их работоспособности.

Ранее, использовать собственные частоты и формы колебаний конструкций на высших гармониках в качестве индикаторов усталостных повреждений предложил Г. И. Страхов со своими учениками. Важные результаты в этом направлении получены под руководством М. С. Галкина, Я. П. Пановко, В. Л. Бидермана, И. А. Биргера, К. С. Колесникова, Г. И. Страхова, В. С. Стреляева.

Отметим, что, несмотря на кажущуюся простоту, в эксплуатационных условиях задачу диагностики прочностных повреждений натурных конструкций по изменению их динамических характеристик при наработке, особенно, если в нее включить определение местоположения и размер дефекта. До сих пор однозначно решить эту задачу не удавалось из-за отсутствия исследования изменения динамических характеристик конструкций по мере усталостной наработки.

Таким образом, анализ показал, что:

1. В реальных условиях использования СЭУ высокие эксплуатационные значения энергетических и экономических показателей, надежности и ресурса могут быть достигнуты только в тех случаях, когда имеется объективная информация о величинах параметров, качестве функционирования и техническом состоянии всех составляющих агрегатов и узлов СЭУ.

2. Практический опыт, накопленный в различных отраслях промышленности и транспорта, свидетельствует о том, что наиболее перспективным направлением совершенствования контроля за протеканием изменений параметров СЭУ является безразборная диагностика.

3. Повысить надежность дизелей, сократить трудоемкость ремонтов, существенно улучшить эксплуатационную экономичность и производительность СЭУ, а также прогнозирование остаточного ресурса возможно за счет дальнейшего совершенствования оборудования для диагностирования.

4. Сокращение трудоемкости диагностирования за счет повышения контролепригодности диагностических средств, автоматизации процессов диагностирования и обработки диагностической информации.

5. Разработка и внедрение систем технического диагностирования также позволяет повысить точность расчета крутильных колебаний СЭУ.

Во втором разделе проанализированы существующие технические средства диагностирования крутильных колебаний валовых линий СЭУ. Большинство параметров крутильно-колеблющихся систем являются

случайными величинами с дисперсией отдельных их значений относительно математического ожидания. Поэтому особое значение приобретают экспериментальные исследования крутильных колебаний валовых линий СЭУ с целью определения развития этих колебаний в данной установке по мере наработки часов и для накопления статической информации, необходимой для уточнения расчетов еще на стадии проектирования.

Для измерения крутильных колебаний применяется разнообразная аппаратура, которая в общем случае состоит из трех основных частей: датчика, усилителя и регистрирующего модуля. Наибольшее распространение для измерений амплитуд крутильных колебаний валопровода получили приборы: «ЭТ-1», «Диза Электронике» и другие.

Большинство разработанных приборов, основаны на численных и механических методах анализа записей колебаний, имеют большую погрешность вычисления амплитудно-частотных параметров. Погрешность измерений крутильных колебаний валовых линий СЭУ еще больше увеличивается, если приборы производят запись только скручивания вала, например, как прибор ЭТ-1. Такие приборы не учитывают неравномерность вращения коленчатых валов и валопроводов, и производят измерения только в одном месте - с торца исследуемого вала.

На экспериментальные исследования крутильных колебаний судовых валопроводов влияет большое количество одновременно действующих параметров. Кроме того, ограниченная продолжительность и невозможность повторного проведения эксперимента в абсолютно одинаковых условиях требуют создания специальных автоматизированных технических средств измерений и вычислительных программ.

Двигатели внутреннего сгорания, гребные винты, гребные валы, передачи, элементы шарикоподшипников и т. д. являются оборудованием периодического действия и типичными системами, для которых характерна вибрация. Временная реализация этой вибрации может быть успешно использована для технического диагностирования.

Для выявления характера процесса может использоваться корреляционная функция K(t), полностью затухающая с увеличением времени сдвига при случайном, и продолжающая осциллировать при детерминированном, например, моногармоническом, характере процесса.

При описании колебательного процесса как функции, изменяющейся во времени, большое значение имеет скорость этого изменения, то есть частота процесса. Частота во многих случаях является более информативной независимой переменной, чем время. Преобразование исходной записи процесса из временной формы в частотную осуществляется простой перегруппировкой данных. Для такой перегруппировки используется либо разложение исходного колебательного процесса по различным ортогональным системам функций, либо его интегральное преобразование Фурье.

Интегральное преобразование Фурье предполагает, что процесс имеет нулевые значения вне исследуемого интервала. Результирующий спектр -непрерывный, и его форма соответствует огибающей разложения в ряд Фурье.

В основу автоматизированного измерительного комплекса крутильных колебаний (рисунок I), разработанного в лаборатории «Динамика и прочность судовых конструкций» кафедры «Сопротивление материалов» ФГОУ ВПО НГАВТ, положены: два измерительных датчика ТНК-1(1) (соответствующих ГОСТ 226046-83), установленных для записи колебаний на вращающихся элементах валопровода или на свободном конце судового дизеля. При вращательном движении валопровода датчики ТНК-1 формируют аналоговый сигнал. Датчики (1) соединены с контроллером (3) (соответствующим ГОСТ 12997-84) посредством кабелей типа Г18В2.0 (2). В контроллере (3) происходит преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую.

В общем случае амплитудный диапазон количественно выражается через число дискретных импульсов и в любой момент времени сигнал может быть только на одном из уровней.

Рисунок I - Автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс БАГС-4

Оцифрованный сигнал с контролера передается на персональный компьютер (4) для дальнейшей обработки с помощью программного обеспечения «Analyzer®».

Измерительное устройство полностью автономно в части электропитания, измерения, накопления информации и ее предварительной обработки.

Таким образом, методика измерений динамических характеристик реализуется за 5 этапов: запись; преобразование сигналов; обработка; хранение; вычисление.

Сигналы, получаемые от автоматизированного измерительного комплекса крутильных колебаний, носят периодический характер, что является основанием для представления их в виде рядов Фурье:

х = ао+а^п (сЛ+ср^+агзт (2оЛ+2ф2)-га3зт (ЗсМ+Зсрз) + а^т (псо1+п<рп)+ ... (1)

Члены этих рядов могут быть описаны: а^п (ей + Ф1) -гармоника; а251п (2о:и + 2(р2) - октавная, или вторая гармоника; а38т (Зой + Зф3) - двуоктавная, или третья гармоника; ... и т. д.

Представляя каждую гармонику как синус суммы двух углов, имеем

а^п (пой + п<рп) = апСозфпБтпк)! + ап8тф„со5Пю1:. (2)

Подставляя в правую часть уравнения (1) выражения А = апсо5фп и В = а^п фп, получаем

а^п (пой + пф„) = Авт (пай) + Всоэ (пей). (3)

Отсюда ряд Фурье может быть записан в виде

х = В0 + Вдовой + В2соз2ой +...+ ВпСобпой + А^шай + А2зт2ай +...+ А^тпай

или в виде, более подходящем для оценки коэффициентов Фурье,

х = 0,5Ь0+Ь1со5со1+Ь2СОз2(£Л+...+Ьпсо5псо1+а1зт ой-а25ш2ой ).. .+аг1зтпой. (4)

Каждый из членов разложения Фурье Ь]совой, Ь2со52о)1, ... представляет собой гармонику с амплитудой Ьь Ь2, Ьз и частотой со, 2со, 3 со, ...псо.

Так как для любого угла 6 8т(6 + я/2) = соб0, то между синусоидальными и косинусоидальными членами существует разность фаз в 90°.

Спектр многомерного сигнала представляет собой набор гармоник, кратных основной частоте:

соь 2а>ь Зсоь ... ¡соь

сог, 2со2, Зю2, ... ¡со2; ш3, 2О)3, Зсо3, ... ¡со3;

со„, 2<вп, Зсоп, ... ¡соп. Спектрограмма многомерного сигнала имеет вид, представляемый на рисунках 3-4.

На рисунках 2-3 пики 1, 2, 3, 4, 5 - резонансы, соответствующие собственным частотам дискретных крутильно-колеблющихся систем СЭУ. Частотный спектр показывает основные гармоники (рисунок 2) и огибающую всех гармоник (рисунок 3), которая строится во время спектрального анализа.

I •

7 J S 1 i

I..I. 1 Ll.In ■ .if.l 1 . > i.ll. iiii.>.i.t Ii.iLi....

Рисунок 2 - Частотный спектр для многочастотного, многомерного сигнала

Рисунок 3 - Огибающая гармоник спектрального анализа

При использовании математического программного обеспечения MathCAD 13 для анализа многомерного сигнала коэффициенты Фурье определяются парой интегральных преобразований Фурье:

F{<0)" 2K \f{tYe~""dr>

f(t) = ]F(w)eJ°"dco, (5)

-да

выражающих частотный спектр F(m) как функцию временной реализации f (t) для каждой угловой частоты со.

Эквивалентная запись этих уравнений в дискретной форме выглядит следующим образом:

1 ^ -¡ы2-'-

уь,!*-

лао =

А' = 0

Это парное преобразование обладает такими же свойствами, как выражения (5), за исключением дискретности во временной и частотной областях.

В третьей главе проведено теоретическое исследование динамических характеристик валовых линий СЭУ.

По мере отклонения параметров эксплуатационного режима от соответствующих значений, исследуемого расчетного такие показатели СЭУ как экономичность, тепловая и динамическая нагруженность и другие сместятся относительно расчетных оптимальных уровней, следовательно, технические показатели, например коэффициент полезного действия, будут ниже возможных, заложенных в конструкции СЭУ. Для судовой энергетической установки в условиях реальной эксплуатации наиболее характерен широкий диапазон изменения скоростного и нагрузочного режимов, и в связи с динамическими явлениями в системе ДВС-гребной винт установленная мощность не может быть реализована полностью.

Причинами утраты ресурсных показателей СЭУ служат необратимые физические процессы, происходящие на поверхности и в объеме материала деталей, вследствие длительности воздействия циклических напряжений. Такой процесс идет без видимых признаков изменения свойств материала и приводит деталь к конечному предельному состоянию, которое характеризуется или поломкой, или появлением трещин недопустимых размеров.

Следовательно, необходимо знать, возможна ли дальнейшая эксплуатация силовой установки, а если возможна, то сколько времени.

Упомянутые процессы, усталость материала, а также процесс изнашивания являются как детерминированными, так и случайными с сопровождением множества различных факторов. Поэтому к числу основных задач следует отнести выявление природы, характера, уровня, частотного состава, взаимосвязи вибрационных сигналов, а также выявление нелинейных свойств, основных резонансов, демпфирования, собственных форм колебаний и других характеристик колебательного процесса судовой энергетической установки при известном и неизвестном входном воздействии.

По этой причине расчетная оценка ожидаемого ресурса может быть выполнена корректно лишь с привлечением математического моделирования.

К основным этапам экспериментального исследования динамических характеристик валовых линий СЭУ следует отнести:

1. разработку математической модели динамической системы валовых линий СЭУ. Математическая модель отражает инерционные, упругие, диссипативные свойства динамической системы, взаимосвязь различных движений, а также внешние воздействия;

2. определение параметров обратной связи (например, в виде построения собственных форм колебаний, позволяющих определить доминирующие, наиболее податливые элементы конструкции СЭУ).

Кроме того, графическое построение форм колебаний позволяет определить структуру математической модели исследуемой колебательной системы ДВС;

3. определение динамической податливости ДВС (например, в виде АЧХ, содержащей информацию о собственных частотах, величине жесткости и декрементах колебаний). Динамическая податливость позволяет оценить внешнее воздействие, вынужденные колебания, запас усталостной прочности и долговечности, основных критериальных деталей валовых линий. Она дает объективную оценку фактического технического состояния исследуемого типа СЭУ.

Вынужденные колебания ДВС обусловлены переменным воздействием кривошипно-шатунного механизма, процессом сгорания, потребителями механической энергии. Эти колебания отражают как особенности воздействия, так и свойства динамической системы в целом.

Обычно установленные амплитуды А вынужденных колебаний во времени х(() происходит по экспоненциальному закону. Отличительными признаками вынужденных колебаний в устойчивой замкнутой динамической системе могут служить характерные зависимости амплитуды от:

- формы колебаний;

- коэффициента поглощения, характеризующего демпфирование или

рассеивание энергии при колебаниях;

- периода колебаний;

- совпадения с собственными частотами динамической системы.

Все эти характеристики обладают явно выраженной зависимостью от амплитуды колебаний и изменяются в процессе циклического нагружения материала. Следовательно, могут быть использованы для характеристики процесса усталости, так как явление усталостного повреждения наблюдается только тогда, когда при циклическом нагружении возникают микропластические или пластические деформации, т.е. неупругость.

В большинстве случаев требуемую информацию о динамических характеристиках СЭУ приходится извлекать из результатов обследования двигателя в течение его нормального функционирования. При этом оценка динамических характеристик выполняется только на основании анализа данных на выходе системы, т.е. по колебательному отклику системы на случайное динамическое воздействие.

Основным способом определения собственных частот ДВС в этом случае становится спектральный анализ наблюдаемых колебаний. Спектральный анализ колебательных процессов на выходе динамической системы с резонансными свойствами позволяет получить резкие максимумы спектральной плотности на резонансных частотах и на частотах действия интенсивных входных возмущений (рисунок 4).

Чтобы отличить пики спектра, вызванные собственными колебаниями, от интенсивных возмущений, целесообразно воспользоваться анализом поведения функции когерентности и фазового спектра колебаний элементов конструкции ДВС. На практике спектры вынужденных случайных колебаний сложных систем редко содержат резко выраженные пики, и, как правило, максимумы спектральной плотности на общем фоне выделяются незначительно.

Поэтому для выявления и разделения источников возмущения в ДВС целесообразно использовать специальные методы спектрального анализа, в частности функцию когерентности, характеризующую степень подобия (близости формы) участка спектра двух процессов.

Задача по определению собственных значений сводится к решению уравнения, получаемого из условия, что

Таким образом, матричную задачу сводят к поиску корня уравнения с одним неизвестным, что позволяет использовать для решения большое количество имеющихся численных методов. Поскольку в реальных системах матрицы I и С симметричны, а / является положительно определенной, то можно использовать метод приведения к стандартной форме, основанный на использовании метода (^Я-алгоритм.

В реальных системах всегда имеет место воздействие сил трения. То есть уравнения, описывающие колебания, будут составлены с учетом сил сопротивления.

Следовательно, собственные частоты, полученные в результате измерений, являются решением системы уравнений вида:

где С, ^ С - матрицы жесткостей, моментов инерции и сил трения, которые имеют вид:

йг1[С-1ас2]=0,

(7)

Л + £>Х + СХ = Мзт (01,

(8)

С=

Хч/ .....р!а.................<

.....** ° 4........0 .......-А,

о=

(9)

-ъ-ь.......-Б- 0(1.....и"< ......—4*

М— матрица-столбец возмущающих моментов.

Значения сил трения для соответствующих форм и порядков колебаний может быть получено при проведении гармонического и фазового анализа торсиограммы. Известно, что фазовый угол ip зависит от отношения частоты вынужденных и резонансных колебаний к/ы, а также от декремента затухания у:

к

tg Ч> • —

Г = -г^- (Ю)

2 — а

Декремент затухания колебаний, определенный таким образом, является суммарным для всех участков торсиографируемой системы, а также для всех воздействующих видов трения.

Известно, что внутреннее трение в материале при циклических нагружениях характеризуется зависимостью между напряжением и деформацией. При таком механизме демпфирования энергия рассеивается почти пропорционально квадрату амплитуды деформации, а форма петли гистерезиса практически не зависит от амплитуды и скорости деформации.

Работу сил внутреннего трения в материале на некотором i-ом участке вала определяют по формуле:

Аг = а, + 1)\ (П)

где \|/ - коэффициент рассеяния энергии,

at - а,. /— амплитуды колебаний i-ой и i+1-ой массы;

Су+1 - жесткость участка между i-ой и i+I-ой массой.

Зная работу сил сопротивления, получим истинное значение амплитуды

возмущающей гармонической функции:

Л/ = + »<) 5 (12)

я L а I

где Aç— работа сил внешнего трения;

Это уточненное значение Л/,, используется для определения напряжений в элементах системы, а также позволяет сформулировать предварительные выводы о возможных напряжениях в аналогичных крутильно-колеблющихся системах.

В четвертой главе выполнены лабораторные и натурные экспериментальные исследования динамических характеристик валовых линий СЭУ автоматизированным измерительно-вычислительным комплексом.

При исследовании детерминированных колебаний используются понятия пикового значения как абсолютного значения максимума или минимума колеблющегося параметра в рассматриваемом промежутке времени, а также размаха колебаний как разности между максимумом и минимумом

колеблющегося параметра в этом промежутке. Для моногармонического процесса пиковое значение равно амплитуде, в размах - удвоенной амплитуде.

Реальные вибрации имеют случайный характер колебательного процесса. В этом случае пиковое значение и размах характеризуют лишь квазимаксимальный уровень, превышение которого возможно при определенной вероятности. Другими словами, задаваясь различной вероятностью пребывания процесса в полосе, равной размаху, например, от 90 до 99%, будем для одного и того же случайного нормального колебательного процесса получать разные пиковые значения и размахи, отличающиеся более чем в 1,5 раза.

Более предпочтительными являются неслучайные размерные характеристики интенсивности, которые получаются в результате осреднения значений колебательного процесса во времени. Одной из основных таких квадратичных величин является дисперсия процесса

Т ОС

а\ = Т -11 л 2 (0<Й = (13)

О -О)

где Т, р (х) - соответственно время наблюдения и плотность распределения значений случайного центрированного процесса х (1)=А(1)соз[со(1)+ф(0].

Дисперсия является энергетической оценкой процесса, имеет размерность квадрата размерности измеряемого параметра и численно равна средней мощности колебательного процесса. Если известна спектральная плотность колебания Ох(ш) в диапазоне частот от шт1П до £отах, то дисперсия этого колебания в указанном диапазоне определяется в соответствии с равенством Парсеваля

О- ; = У б (о )а<0 . (14)

На рисунках 4 и 5 приведены записи спектрограмм, полученных на автоматизированном анализаторе при исследовании крутильных колебаний валовой линии экспериментальной установки.

ПатосаХ Полоса У

2з.

Гц

4.5

г.с

Ш

Рисунок 4 - Стендовые испытания валовой линии с коленчатым валом без наработки

Полха X

Полоса У

Рисунок 5 - Стендовые испытания валовой линии с коленчатым валом, имеющим наработок более 4000 часов

При испытаниях валовой линии с коленчатым валом, имеющим наработок, максимальные значения спектральной плотности возрастают. Используем отношение максимальных значений спектра в полосах частот для определения технического состояния валовой линии. Энергетический спектр для валовой линии с коленчатым валом без наработки показан на рисунке 4. Здесь отношение максимального значения спектра в полосе х к максимуму значения у равно 2,78. Для валовой линии (рисунок 5) отношение равно 4,75.

В результате проведенных лабораторных экспериментальных исследований динамических характеристик валовой линии было определено ухудшение технического состояния с наработкой усталостной прочности. Этим подтверждается теоретическое предположение о работоспособности использованного автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса БАГС-4.

Натурные исследования проводились для судов типа «Рт-600» проекта 1741А класса «Р» Российского Речного Регистра. Спектр собственных частот крутильных колебаний дискретной десятимассовой системы двигатель-движитель теплохода проекта 1741А определен математическим моделированием.

При торсиографировании амплитуду колебаний измеряют на свободном конце коленчатого вала и на валу валопровода в доступном месте за маховиком. Масштабы записи определяются программным методом при тарировке датчика ТНК-4 на стенде. Отметчик времени работает от часов переносного компьютера и дает отметки от 0,001 до 20 сек. Отметчик оборотов работает от бесконтактного датчика установленного на валу

Определение максимального развития вынужденных колебаний осуществлялось при определенных числах оборотов. Запись колебаний производились на протяжении нескольких секунд после непродолжительной работы двигателя при данном числе оборотов, которое устанавливалось автоматически и синхронно самим датчиком ТНК-4 или по тахометру.

На рисунках 6 и 7 приведены записи спектрограмм, полученных на автоматическом анализаторе при исследовании крутильных колебаний на свободном конце коленчатого вала соответственно на т/х «РТ-685» и т/х «РТ-

791». Ось абсцисс показывает амплитуду колебаний в раз, по оси ординат показана частота в Гц.

— —

Н| к л

щ 'м А лм»

Рисунок 6 - Спектрограмма валопровода левого борта теплохода «РТ-685» при частоте вращения коленчатого вала главного двигателя 600 об/мин

г.......... .....

! 1

ш П. Ш ък

П 12.2 2М~ э£ё 49.8 ¿1 Ш В5.Г 37,7 Ш 122 11*.....1«, Ш 171 ~ 183 1Ю ~ 2№ 22П 232

Рисунок 7 - Спектрограмма валопровода правого борта теплохода «РТ-791» при частоте вращения коленчатого вала главного двигателя 600 об/мин

Полученную амплитуду сравнивают с расчетной амплитудой, полученной в результате математического моделирования на ПЭВМ. Амплитуды колебаний производился для частоты вращения коленчатого вала главного двигателя 600 об/мин. Амплитуда вынужденных колебаний при этом составила 0,381 рад.

Для определения коэффициента или декремента затухания на полученных спектрограммах замерялись амплитуды колебаний.

Анализ полученных спектрограмм позволяет сделать следующие выводы:

- колебания коленчатого вала и огибающая выходного сигнала имеют одинаковый период повторений как для СЭУ т/х «РТ-685», так и т/х «РТ-791»;

- колебания коленчатого вала не строго периодичны ввиду неравномерности вращения по амплитуде и фазе;

- при прочих равных условиях величина декремента затухания зависит только от амплитуды колебаний вибрационных сигналов;

- в районе рассчитанных собственных частот: 54,9 Гц декремент затухания валовой линии т/х «РТ-791»; в среднем составляет 8=1,967%, что меньше

декремента затухания валовой линии т/х «РТ-685» у которого он в среднем - 5=2,044%;

- амплитуда колебаний эксплуатируемых СЭУ т/х «РТ-791» и т/х «РТ-685» соответственно равны 0,69 рад и 0,81 рад, что больше, чем расчетная амплитуда, равная 0,381 рад.

Сравнивая декременты затуханий можно сделать вывод: техническое состояние валовой линии СЭУ т/х «РТ-685» находится в худшем состоянии, чем техническое состояние валовой линии т/х «РТ-791».

Статистический анализ записи колебаний коленчатого вала с использованием функций корреляции позволил определить абсолютную мощность процесса, усредненную частоту периодического сигнала в процессе и периодичность процесса. В результате исследования было установлено, что при диагностике валовых линий в качестве динамических характеристик СЭУ следует выбирать амплитуду периодической составляющей нормированной корреляционной функции и частоту периодической составляющей.

В приложении представлены акты внедрения результатов работы.

Основные выводы и рекомендации

1. Наиболее перспективным направлением совершенствования контроля за протеканием изменений динамических параметров СЭУ является безразборная диагностика.

2. Разработка и внедрение систем технического диагностирования позволяет снизить погрешность расчета крутильных колебаний СЭУ.

3. На экспериментальные исследования крутильных колебаний судовых валопроводов влияет большое количество одновременно действующих факторов, ограниченная продолжительность, невозможность повторного проведения эксперимента в абсолютно одинаковых условиях, что требует создания специальных автоматизированных средств измерения.

4. Для спектрального анализа крутильно-колебательного процесса валопроводов СЭУ предпочтительнее применять интегральное преобразование Фурье, ограничиваясь двенадцатью гармониками колебаний, и активной полосой спектра колебаний коленчатого вала в диапазоне частот от 5 Гц до 1 ООО Гц.

5. Истинное значение амплитуды возмущающей гармонической функции можно получить только с учетом работы сил сопротивления эксплуатируемых валовых линий СЭУ, которые в свою очередь зависят от наработанных часов.

6. Экспериментальными лабораторными исследованиями подтверждено теоретическое предположение о работоспособности автоматизированного вычислительного комплекса БАГС-4 по определению динамических характеристик валовых линий безразборным методом.

7. Натурными экспериментальными исследованиями установлено, что при диагностике валовых линий в качестве динамических характеристик СЭУ следует выбирать амплитуду периодической составляющей нормированной корреляционной функции и частоту периодической составляющей.

8. Измеренные амплитуды колебаний, эксплуатированных валовых линий СЭУ больше, чем расчетные и зависят от числа наработанных моточасов.

9. По величине декремента затухания, полученного из спектрограмм колебаний валовых линий СЭУ можно определить их техническое состояние в период эксплуатации.

Результаты, проведенных исследований можно использовать на предприятиях водного транспорта и в различных областях машиностроения.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в периодических изданиях по перечню ВАК

1. Штельмах, C.B. Критерий усталостной долговечности коленчатого вала дизеля /C.B. Викулов, С.С. Глушков, C.B. Штельмах //Научн. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2008. - №1. - С.201-202.

2. Штельмах, C.B. Работа гармонических возмущающих моментов в судовых энергетических установках /C.B. Штельмах, С.С. Глушков, C.B. Викулов //Научн. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2008. - №¡1. - С.164-167.

3. Штельмах, C.B. Определение гармонических амплитуд возмущающих моментов /C.B. Штельмах, С.С. Глушков //Научн. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. -2008. - №2. - С. 180-181.

4. Штельмах, C.B. Прогнозирование остаточного ресурса коленчатых валов /С.П. Глушков, C.B. Штельмах, С.С. Глушков //«Судостроение». - 2008. -№6.

Статьи в научных изданиях; материалы международных и общероссийских конференций

5. Штельмах, C.B. К расчету крутильных колебаний судовой энергетической установки, находящейся в эксплуатации /C.B. Штельмах, С.С. Глушков //Сиб. научн. вестник. -2008.- Вып.Х1. - С.46-51.

6. Штельмах, C.B. Современные подходы к безразборной диагностике судовых энергетических установок /C.B. Штельмах //Материалы межвузовской научной конф. «Философия науки и техники» Новосибирск. — 2008. - С. 129132.

7. Штельмах, C.B. Педагогические измерения как качество преподавания предмета в высшем учебном заведении /C.B. Штельмах, С.П. Глушков, С.С. Глушков //Материалы межвузовской научной конф. «Философия науки и техники» Новосибирск. - 2009. - С. 200-201.

8. Штельмах, C.B. Определение параметров кругильно-колебательных процессов силовых энергетических установок /C.B. Штельмах //Материалы 1-ой международной научн.-практич. конф. «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях». Курск, 22-23 мая 2009. - Курск, 2009.

9. Штельмах, C.B. Измерение крутильных колебаний судовых энергетических установок и их элементов /C.B. Штельмах //Материалы IV всероссийской конф.-семинара «Научно-техническое творчество: проблемы и nepcneKTiffebi», Сызрань, 22-23 мая 2009. - Сызрань: 2009.

10.Штельмах, C.B. Описание процесса крутильных колебаний силовых установок /C.B. Штельмах //Материалы международной конф. «Инноватика-2009», Махачкала, 25-29 мая 2009. - Махачкала: 2009.

Личный вклад в статьях, опубликованных в соавторстве составляет не менее 50%.

Подписано в печать 23 октября 2009 г. с оригинал-макета Бумага офсетная №1, формат 60x84 1/16, печать трафаретная - Riso. Усл. Печ. Л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ №107. Бесплатно

ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» ФГОУ ВПО («НГАВТ»), 630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33.

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО «НГАВТ»