автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Разработка экспериментально-теоретической модели связанных колебаний валопроводов судовых дизельных установок

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ХОФМАНН УЛЬРИХ

УДК 629.12.011

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ СВЯЗАННЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

V / , ... / .".'} / 1

Работа выполнена на кафедре судовых двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

В. К. РУМБ.

Научный консультант заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор П. А. ИСТОМИН.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Л. В. ТУЗОВ; кандидат технических наук,

С. ЧЕРНОВ.

Ведущее предприятие — Центральное конструкторское бюро „Балтсудопроект".

на заседани специализированного совета Д.053.23.02 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете.

Адрес: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3, МТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Пстер-

Защнта

1992 г. в -¿У час.

бургского государственного морского технического университета.

Автореферат разослан

1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент В. Ф. ДИДЕНКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тг^н. Валопровод судовой дизельной установка является упругой системой, которой в общем случае,свойственны пространственные колебания. При наличии таких колебаний какдая точка системы совершает взаимосвязанные крутильные, осевые и изгибные перемещения. Несмотря на это, до сих пор перемещение кавдого вида обычно рассматривается изолированно от других в качестве, так называемых, парциальных колебаний.

Прогнозирование динамических свойств судовых валопрсзо-дов на основе анализа только их парциальных колебаний не всегда удовлетворяет запросам практики. Объясняется это тел, что близость частот парциальных колебаний обуславливает возникновение качественно новых явлений, способствующих радикальному перераспределению энергии колебаний мезду обобщенными координатами. Перекачка колебательной энергии при этом осуществляется посредствен упругой,'инерционной и силовой связанности! и вызвана она, правде всего, специфическими особенностями геометрии коленчатого Еала и гребного винта.

Связанные колебания валопроводов судовых дизельных установок обнаружились в эксплуатационной практике сравнительно недавно. Чаще всего взаимосвязанность колебаний проявляется в виде возбундения осевых колебаний при резонансах крутильных колебаний. Эксплуатационная практика знает случаи, когда сопутствующие колебания становились весша интенсивными, а обусловленные ими динамические напряжения приводили к авариям. Современные длинноходные двигатели, работавшие с гребными вантами больших диаметров также вызывают весьма значительные динамические напряжения в валопроводах. При этот относительное снижение осевой жесткости коленчатых валов влечет за- собой смещение собственных частот осевых колебаний в область эксплуатационных режимов и приближает их к частотам свободных крутильных колебаний. Данная ситуация создает благоприятные условия для перераспределения колебательной энергии и, вследствие этого, способствует появлению качественно новых видов динамических процессов.

Необходимость располагать достаточной инфорлацией об особенностях колебаний судового валопровода еще на стадии проектирования и потребность прогнозировать случаи развития

связанных колебаний обуславливает Eozsyjo научную проблему, которая предусматривает разработку и практическое использо-ваше расчетных методов.

Иедта "работы является изучение и разработка основ методического обеспечения расчета свободных и вынужденных взаимосвязанных колебаний валоцроводов судовых 'дизельных установок.

Ззлачп исследования. Дхся выполнения поставленной цели в работе обоснованы и последовательно решится следующие задачи:

1. Исследование основных сеойств и особенностей разва-твя связанных колебаний на при:еро однсмассовой дискретной подели.

2. Дискретизация гребного винта, црн которой возможен учет упруго-глссовых свойств его лопастей.

3. Разработка универсального алгоритма формирования и резания систола урзглешЯ, опноыьакщих связанные колебания Ц8Т7ЯЭТ СЕСТО'Д.

4. Оборудование ме^аш;ческого стенда для изучения колебательных яеесзш судового вахоцровода, включающего в себя коленчаткЭ вал а гребней вззт.

5. Зкспэршенаальнсо подтверждение теоретических результатов о существовали устойчив ал связи ыеэду изгибннми, кру-^гльлыиа с ессьха колебаниям системы судового Балоцровода.

6. Прсвзрза достоверности разработанных программных комплексов путем сопоставления результатов расчета и тензсыет-рлровашя валопрозода контейнеровоза "Passat ".

Методы, исследования базисуются на сочетании аналитического и численного методов исследования свободных и вынужденных крутально-Езгйбно-осеЕнх колебаний судового валоцровода. Идентификация ь:атематических моделей осуществлялась по результатам экспериментов как на специально изготовлением стенде, так и на натурном валоцроводе в реальных услсзпях эксплуатации.

Научная новизна диссертации:

- обоснована целесообразность и необходимость разработки теоретических основ расчета связанных колебаний валоцроводов судовых дизельных установок;

- разработана математическая кодель, с помощью которой к!сено исследовать многосвязанные колебания судового валоцро-

вода, идеализированного кнс?скг.ссозоЯ дпсяротноЗ моделха;

- установлен маханава свя?а иезду язгпбшет колебапипш лопастей гребного винта л крзгтилькк'л в осе:выг.щ колебаниям Еалопровода.

На защиту такса выносятся:

- ЛрсГра^ГЕНО КГ.!Г;Л2ЕСЦ ДЛЯ рз СЧвТа СЗСбСДПЕС Л E2B7S-

двзшг взаимосвязанно: ::олебанпЗ разветвленных даскретннх моделей;

- методика дзекретягацпз лолэстеЗ гребного винта.

дслноста работы сщгсделяогоя тем, гг?с р?л~ ргботэвпаэ процедура позволят? из стации пр0егллрст:2нлл га-лопроводоз оцепить стзпэпь опасности разптия связанных ду собсЗ к^угпяьннх п осевых колебаний судэхж взлепроводов» а вазгэ устансзпгь елияняэ язгибише колебаний лопастсЗ грозного винта па дакаизчесиоэ поведение Есего двггшкгльнсто комплекса.

Реатщзапня работы. Наработаны е прогрокш включены s библиотеку npsppaiaj гсайэдры судовш: двЕ^азслей гну^речнагэ сгорания п дизельных устав озез tícpcnoro технического университета, спи пгяохьзуэтея в цракгзчбсгсЗ дестольЕзстп судостроительного завода "Нептунвер^ь1'.

■Аттробатгпя ту боты. Осзовннс результаты' работа дсклздыг?» .тгг.сь на всосогаЕнх научно-?охитвсгаг когферэЕПДЕД з т. Ленинграда в 1933 a IS90 гг., а па г.ог^срезцгн профессорско-преподавательского ссстаза Ш1 з I98S г,

Дтблпаагои. По катетпагац дассортациа опубликованы 4 печатные работы.

и Оу'-ст работы. Диссертация состоит из введения, чзтцрог глав, гаключения и прхлелекия.

Общий объем составляет 187 страниц, в тегл числа 139 стр. машинописного текста, 41 рис. д 7 табл. Список использованных литературных источников вкяэчаст 105 ЕавмеяованиЗ.Приложение содержит исходные тексты программ расчетов на ЗШ.

СОДЕНШМЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована целесообразность и необходимость разработки экспериментально-теоретической модели связанных колебаний валоцроводов судовых дазелъшх установок.

В пета ой главе рассматриваются доканизмн возникновения

связанных колебаний я m анализ, описанше в научной литературе. Отаечаотса, что явдеще скоаапости колебаний привлекало вглгдлпе ьшагах исследователей: 1!ааделшташ Л.И., Ксл-пнора ЕЛ.» ^равлэЕОй ¿.M., Ист cue на H.A., Кононенко В.О., Ганяева P.S., Богомолова С.И., НестеревоЗ C.B., i^uöa B.K.,

G antscke^l, /ш H., Tsuda К, van Dorî D.} VLsserttíJ., van Gent W., van derLLnden, Tañida К.. и др.

Еначдтаяьноз число зкснорлуептальшх исследованых связанных крутаньно-оссвцх колобашИ уЕшанаогся в работах Œugàymottlw Maàoîtajwida, Jûhnsû/ltkaCiimonî. ¿корп указывает ra осо-глз колебания, которие сопутстауат резонанса^ крутилышх ко-ssáanaS. Источника взаЕлсзвязанностн и саду обобдензшя ко-орлеш.2лл2 автора упсанзутах работ называет конструктивные оссбзнностн колзшахяг валсв ДЕО.

Eespocsa ЕзЗрегаклЕЕСзм.гребне?о ванта посвящено таглэ иного paôoï. Еэдатни особо работ Постнова Е.А., Калянвш В.«;» Витолцзга ЛЛ., Цветаева H.H., Langec/tev £. д Тог-Ù&CK А • На в сетсЛ из сросиоярзншк езщ работ кет попи-ïïgiî cgcHssi) езисео usrsíixax дсЗорггацй лоаастеЗ на крутиль-ззо а ссевнз колебакал Еалспровода. Цэд расчетах колебатедш-es процессов гргбнсЛ еле? обычно адщюхсЕзщусгся сднсЛ дас-i:psTuc2 ыасссЗ. Псццу тел, конструктиваз ссобокнссга гребного взнта допускает возможность возбузденгя связанных колз-daöi судового ю^оцроЕода.

Сяодусчил сагсл б Езучегаякаханазгла связи сбобчэЕних косщгхзз sbssgïos' анализ расчотшх пстодов исследования сво-бозегг взаЕлссвязгнншс с^сте:.;. Расскагряваются известные метод*: дзна^гчезгЕХ гсгткостеЗ, гачавьсах илрат-'отрсз, цэпенх £pcde3, пегод ирацедш £:обд даяс решения частных уравнений к ка?сд кензчхлх szcze&zcs. Послздпял считается одгша из шн-tíazaa Еерспз^гаызх дее ра&ппя задач статика п двньглзеп , c^saso у него есть своя подоататки. Среда hex особо взделвл гараадаеш^ подход к составленпа коЕочно-олелеЕтных иоде-

обсуздавтся особенности я пет еды исследования e¡-ц/^сшшх взапзссЕязЕЛЕнх кссебанай судовых валоцроводов. По еравлзЕззэ с пробяелсЗ собатБганз зхачониЗ расчоз? . впеуе-дошых колебаний на первый бзгсля надетая менее трудоглксл, песколыу процедура шчголашя гашауднах значений не гро-буст гляогсхратшх яторагсЛ. Влесте с тел, простота расчета -

кажущаяся. Дело в тсгл, что вынугдепные колебания обусловлены переменным внешним воз действа ¿л и совершится в условиях диссипации виергии. Представление этих факторов в аналигачесноЗ фощэ - задача не простая, теп более, что саа сама по себе, во многсез, определяет точность расчета.

Такта образ си, обзср выполнениях работ дает достаточно ясное предотавлокга о спсцпфзческах особенностях суцоствова-ная свободных связанных колебанзй судовых валопр оводов. Одновременно он выявил ллпь отдельные примера перекачка энергии вынужденных колебаний систс.! со связаншпш координатам. Тот ее обзор свидетельствует о целесообразности шгаолненяя расчетов пряына цатрвчнна методе.!, широко используем в теории колебаний. Альтернатива дискретной аппроксимации судовых водопроводов пока нет. Особое значэнзе дискретизация приобретает при анализе свяээпшх колебаний. В этаа с^утао подоль валецровода долгша учитывать как особенности парциальных систем, так а наличзэ связеЗ мезду вини. В закяпченЕЛ главы сфоркулярсгага задачи исследования.

Вгогая дгава посвящена построгают теоретических моделей, с пемещьп которых удается исследовать колебэтедьваэ свойств многих технических объектов.

Как частный оду чай получены уравнения двизения ггассн, соввршащей крутильно-осевыэ колебаний. Аналитическое решение этих уравнений дает формулы дал определения безразмернпх ашшпуд, соответственно, ссопк () и крутильных ( Аг) колебаний. Пх анализ позволяет конотатнрозать, что аз-за наличия связей медду координатапп, колебания поддерживается одновременно г-екзз нщуддапцгмп усилиями. При этш, интенсивность нодебашй, во мнагеи определяется отношением частот свободных парциальных колебаний /\, и Кг , а таете соотношением медцу коэффициентами упругой ( Тр ) и инерционной ((3 ) связанномей.

Заслуживает внимания пса едена е рассматриваемой системы при действии только одного вынуздавщего фактора, например, соевой силы, рис.1. В этих условиях колебания по всем координатам сохраняются, причем возможны случаи, когда амплитуда сопутствующих колебаний «/4^

Результаты анализа колебаний двухсвязанной одномассовой модели показывают, что наличие коэффициентов связи есть но-обходнкоэ условие перераспределения анергии колебание пар-

цяадыао: его геи. Б качестве условия достаточности выступает dcjaccsb часто? свободных колебаний парциальных сисзеа.

A F__T___î_r__T_T_

А»

U------1-

u-UHv-1—

< „___L____,_

L'e / / ч^ fXJ

r. J/ ■ \

Qlt —te-.---,-y-—---r

I н

—7" p>-

о ———L_—J .

5,0 2,0 5,0 4,0 Sfi 6,0

J

EauZ. Сгнолзшэ егшштуд клзуздезшЕС коло-

tíciHSil еднсслгсссвоЗ ыодогя в завзс^оога as -h-

^ Кг

Ддя глтг^лтлчеоЕсго описания гзашосвгзангшх колебаний usxü-c^aücziß. днехерзхней цодеяп прздлссена сЕсге^а ди$парзн-цнгальик уравпэнпП

i±([M]¡mls<-mes{x)¡+

i-до , /°Ä37 . /"¿7 - квэдратнна катрица глее, сопротивлений и- йесткоетей, соответственно; (Q(t)j - вск'гор-стад-бец вшуздащих усилий; , (х) , {к} - иатраца-стохб-ца сбсбцзнных коордЯЕат,-скоростей и ускорений; /г - число дпекрагЕшс масс; /3 - число стенодей свобода кгщцей глссы. Шнукдазздзо усилия представь агедулцна образен

Q (i)¡- Ff sin 0)1 castes* Fcascjî- s¿n6¡. (2)

к

/ \

/ \ \

!/ '"Л t* в vN V

/ // M V, Ow

í! 4 S-

/ ~*4 --

5,0 2,0 5,0 4,0 t,C ¿,0

Далее принято, что вынужденные колебаний подчиняются гарглоническшу закону, а исксм'ое решение имеет вид

X*=Assin(cjt+ <?s)=AsSLna)tcosg*+Acos&)tsinpf;. (3)

Если обозначить ¿4, j A. COS of и LI- = A?Sin of, где

/> л /я у| !71ш1 >5 Ь ПТ Ja

m = 2-S+2(Z-1Jp. то,после подстановка (2) и (3) в исходную зависимость (I), получаем систему алгебраических уравнений относительно неизвестных Uи ¿/^ . С асмоссью последних требуемые акшштуда и фазы вынужденных колебаний могут быть вычислены по фарыулел

Для реалнзадая указанных зависимостей разработаны фортран-программы U.JUL н ULFA , которые позволяет выполнять расчеты ceoö одних а вшужденных колебаний как парциальных, так и связанных дискретных цепных моделей, цмещих различное число ответвлений.

Приведение водопровода к дискретному виду относится к области инженерной интуиции. 3 соответствии с этим обсуждаются возможные идеализации коленчатого вала и гребного винта. Б качестве расчетной аппроксимации коленчатого вала предлагается модель, в которой каддоз колено заменяется тремя сосредоточенными масйача, которые расположены в центрах масс шеек.

Конструктивные особенности гребного винта допускают возможность существования взаимосвязанных крутилько-изгибно-осевых кагзбалай судового валоцровода. Механизм такой связанности заключаете,? в тсгл, что изгибные колебания лопасти обуславливаке на ступице переменные крутящий мсмент и осевую силу. Уровень крутильных и осевых колебаний во многом определяется упругими и инерционными свойствами лопасти. Для возможности учета связи между колебаниями валопровода и лопасти последнюю представил в виде дискретной массы Ма, связанной со ступицей соединением, изгибная жесткость которого Q , рис.2. Условия динамической эквивалентности (равенство кинетических и потенциальных энергий реальной лопасти и ее модели) дают

В равенствах (5): /77 - среднее значение распределенной массы; ¿' - коэффициент, который подсчитывается по формуле е

I.+/л

л,

ау

где

и X -

исвонте шерции корневого и текущего сече-

ний лопасти, соответственно;. Е - длнка лопасти.

У

Рис,2. Дгскротизация лопасти гребного винта

В тоетадй главе рассматривается динамическая схематизация связанности парциальных колебаний. Систематизированы методы начисления коэффициентов инерционней и упругой связи коленчатого'вала, вывукдащих усилий, обусловленных газош-ка, инерционными и гравитационными фактораш ДВС, гццродина-

мических усилий гребного винта. Крсыо того, приведены результаты исследований демпфирующих сил и ыснентоз этих сил, а такзе масс и моментов инерции масс присоединенной к винту воды. Далее излозена методика определения коэффициентов связи мезду деформациями лотсти и вала.

Коэффициенты инерционной связи крутдльно-осевых колебаний коленчатого вала характеризуют приращение кинетической энергии в направлении, отличном от действия силового фактора возбуадащего данный процесс. Поэтому решение задачи сводится к определению дополнительных скоростей, возникагщих вследствие возбуждения колебаний. Линеаризация сил инерции выполнена мет од саз энергетического баланса, а коэффициент инерционной связи получен из услозия равенства кинетических энергий.

Крутильно-осевув лесткость коленчатого Еала рекомендуется вычислять по форлуле Пестеровой C.B.' Еыбор данной фор-1лулы продиктовал тел, что ош удобна в практических расчетах.

В диссертации подробно изложены процедуры определения тангенциальной и радиальной составляющих. Известно, что радиальная сила обуславливает изгиб вала, причет эта декорация вызывает персцсзшй раскоп колена. Отведение соответствующей ссевсй силы к радиальной выражается коэффициентом Кр п 1,05 £Ш/Т\ , где 8Ш и R - длина шатунной шейки и радиус кривошипа. Алгоритм вычисления угазанных сил и их гармонический анализ, согласно (2), реализован в nporpaisîeZ/ШЕ

Дня определения вынугдаЕдих усилий, обусловленных гребным винтсы, а такте сил и моментов демпфирования в системе валоцровода 6izîh использованы расчетные методики и результаты эксперт генгальвю: исследований, опубликованные в советской и HHûqTpâHBùS литературе.

В общетеоретическом плане задача о присоединенной к гребному винту массе воды и ее мсыенте инерции достаточно корректно решена KumctL. Основу решения составляет коэффициент пространственного обтекания. В свои очередь он вычисляется с использованием теории обтекания эллиптической пластины, которая идеализирует лопасть винта.

Как ухе упсыиналось ранее особое внимание в работе уделено определению коэффициентов упругой связи гребного винта. Для оценки влияния изгибных колебаний лопастей винта на динами ву водопровода рассмотрша простейшая расчетная схема,

состоящая из невесского вала с дисксы на конце и ответвлением в виде дискретной массы Ма , соединенной с диском стершем, жесткость которого на изгиб относительно главных осей инерции Си и Cv (см.рис.2). Далее предполагаем, что диск вместе с валсы совершает кдетильные и осевые колебания, а масса М0 совершает колебания не только в направлении U. , перпендикулярном минимальней оси инерции, но и в направлении V , с ней совпадавдим. Положение данной оси определяется шаговым углем fi . Поскольку J3 величина переменная даже при постоянном паге, то в качестве расчетного зшчения обычно принимаем конструктивный угол на радиусе 7 = 0,7 "R .

Рассмотренная схематизация приводит к решению задачи в области косого изгиба. Согласно его дсновным положениям можно геометрическим путем определить изгиб лопасти в любем направлении, например, вычислить тангенциальную 20 и осевую X0 деформации. Определяя жесткости изгиба лопасти С* и Сд в направлениях осей Z0 и Х0 и подставляя эти значения в уравнение потенциальной энергии для системы лопасть-с ту пила-валопрсвод, подучим выражение дая коэффициента упругой связи между взгибнъаш. колебаниями лопасти и крутильными колебаниями валопровода

q - Г- sin Л ' , (6)

гз~ J sin2J5 ~eos2 V Сг Сг

у ьи ьV

Аналогичные рассуэдения дают коэффициент связи изгибно-осовых колебаний

.Четвертая глава содержит материалы экспериментальных исследо'ваний, выполнение которых является составной частью работы в целом.

Так как обсувдаемые задачи относятся к области мало изученных динамических процессов, то проведение экспериментов на моделях позволяет непосредственно проверить теоретические результаты предыдущих глав. Изучение взаимосвязанных колебаний осуществлялось.на специально изготовленном механическом

стенде. Стенд представляет собой модель системы валопровода, состоящей из коленчатого вала, промежуточных валов и гребного винта. Сменные лопасти винта имеют различную конфигурацию и возможность изменять саговый угол за счет поворота. Самая простая лопасть - пластина постоянного поперечного сечения. В качестве возбудительной аппаратуры на стенде установлены вибраторы и электродвигатель постоянного тока. Диапазон частот возбуждения составляет 10-250 Гц. Вибраторы могут генерировать изгибные колебания лопасти, а также крутильные и осевые колебания валопровода. Измерение колебаний производилось тензометрированием деталей стенда. Тензорезисторы базой 10 мм и сопротивлением 200 0м были размещены на валах и лопастях гребного винта.

Экспериментальные исследования подтвердили наличие связи между иэгибными колебаниями лопастей винта и крутильно-осевыми колебаниями валопровода. Установлено, что гребной винт допускает возможность развития крутильно-изгибно-осевых колебаний судового валопровода. Из многочисленных результатов испытаний динамических моделей в диссертации выборочно представлено 14 вариантов, которые отличаются друг от друга только геометрией лопастей и их шаговыми углами.

При расчетном исследовании системы валопровода экспериментального стенда рассматривались две дис!фетные модели. Первая предусматривала общепринятую идеализацию гребного винта в виде массы, расположенной в центре ступицы. Во второй модели гребной винт дискретизировался двумя массами так,как показано на рис.2. Соответственно, первая модель включала в себя 10, а вторая II масс. Параметры ответвления подсчитыва-лись по приведенным выше формулам.

Для иллюстрации на рис.3 приведены результаты исследований свободных крутильных колебаний экспериментального стенда. Втолненные расчеты и замеры показывают, что спектр частот валопровода при идеализации винта одной массой может значительно отличаться от спектра частот системы лопасть-' ступица-валопровод. В последнем спектре присутствует низшая частота 53,45 Гц, соответствующая колебаниям лопасти. Эти колебания не замыкаются пределами гребного винта, а ,передаются на валопровод и возбуждают в нем безузловую форму колебаний. Степень перекачки энергии возрастает по мере сближения парциальных Частот гребных и крутильных колебаний и до-

стигает максимального уровня при их равенстве.

Рис.3. Дискретные модели валопровода экспериментального стенда и соответствующие формы колебаний

Влияние упругоыассовых свойств лопасти на низшую частоту Еапопроводной формы колебаний незначительное. Увеличение частоты примерно на 3 Гц входит в пределы погрешности измерений, поэтому экспериментально подтвердить расчеты не удалось. Что касается колебаний с частотами 626,88 и 920,67 Гц, то они отвечают одной и той не форме, различие ыезэду ними _ вызвано только изгибными колебаниями лопасти.

Отмеченные особенности свойственны установкам с гребными винтами больших диаметров. Объясняется это тем, что длинные лопасти более податливы, позтоцу амплитуды их колебаний будут отличаться от амплитуда ступипр.

С использованием изложенной методики выполнено расчет-но-экспериментальное исследование колебаний водопроводов контейнеровозов типа " Passat " с главным двигателем 5ДКРН 58/170 (рис.4) и 8ДКРН 58/170у

Расчет свободных колебаний производился по программа Li JUL. Результаты машинного счета сведена в табл.1. Сравнение частот парциальных и связанных колебаний приводит к сле-дуздки Еызодам, поясняющий закономерности механизма связи. Во-первых, свойства взаимосвязанных систем находятся в корреляционной зависимости от соотношения парциальных колебаний. Наибольшее расхождение (4,56%) частот наблздается в установке с двигателем ЕДКРН 58/170, для которой частота парциальных крутильных и осевых колебаний отличаются незначительно. Во-вторых, ковффициенты связи оказывает более заметное влияние на высскотастотние колебания, прежде всего осевые, и,, в-третьих, связанность координат вызывает расширение спектра частот свободных колебаний.

Результаты исследования вннузденных колебаний реальных валопроводов представлены на р:;с.5 и 6. Прежде всего, наблюдается хорошая сходимость результатов измерений п расчета. При резонансе (72 мин"*) расхождение не превышает Кроме того, обнаружены дополнительные свойства взаимосвязанных систем. Например, расчет парциальных осешх колебаний установки с двигателем ЗДКРН 53/170 показал, что доминирующий 5 порядок не вызывает резонанса. Однако учет коэффициен1-тов связи дал местный резонанс 5 порядка (около 73 шпГ^) с амплитудой, превышающей амплитуда парциальных колебаний почти на 50$. Амплитуды резонансов 7, 8 и 10 Порядков также возросли примерно на 20%, а перемещение свободного торца ко-

Рис.4. Эскиз (а) и дискретная модель (в) валопровода контейнеровоза

Т[гшс] £0

03

40

<?■> л

¿о

! 1

/<7

'X, \ 1 1

1 ( ! * _

Л у __• . ! т-

/ н|

И' Н $

и з за га со. с 3 { 'Л V 1

4

а

! И ! -

Л| «И .......\

■ *

| 1 i ¡)

/ [яч II

! Г11 ч.

$ та СЗ сэ № !ГЛ

Ркс.5. Напряжение в промезутоедом вале от кру-тлль?2сс колебзгай установки с двигателем: а) 5 ЯТА 58/170; б) 8 РТА 53/170

---- экспериментально замеренные напряжения;

-- расчет парциальных колебаний;

---- расчет связашэх колебаний

A[pin] U

i.o 0.8

0,6 ол 0,2 О

Д[нн]

г;« 1.0 1,5

U 0,9 0,8 0,5 О

/ д

/ / / л

> / ¥

/ —^ ✓ f -у 4 /Л

/ Л. / j \

¿0

4

SO so ГО 00 30 ICH IfO 120 п[мии-*]

9

/ л

1 1 1 1 i

■

л 1 !

Л 1 \i v

/ / / / / • i \

w /»у \\ ч \\ а / N

/ /1 о \ \ 1 1

о« и ^ л/ w' . 1 1

J0 60 ГО во 90 100 (10 НО п[нин-']

Рис.б. Осевые перемещения свободного торца коленчатого вала двигателя: а) 5 ВТ А 58/170; б) 8 ЯТА 58/170

--- расчет парциальных колебаний;

---- расчет связанных колебаний

ленчатого вала составило 1,3 мм. Демпфер осевых колебаний позволил снизить амплитуду до 0,5 мм. В установке с восьыи-цилиндробын двигателегд за счет перекачки колебательной энергии происходит увеличение амплитуда осевых колебаний до' 0,4 га (8 порядок) и 2,4 мм (5 порядок). Последний находится вблизи ногакального решила работы двигателя (112 мин-*) и достигает опасного значения. На этом основании сфориулЕфова-ны рекомендации, которые вошли в проектные документы по но-'дернизации энергетической установки контейнеровоза "Passai--285".

Таблица I

Парциальные и связанные частоты свободных колебаний валоцроводов контейнеровозов типа " PczSSüt "

Главный двигатель 1 Частоты,парцналь-.них колебаний, Гц Частоты1 < 1 связанных •колебаний. Гц Расхождение мезкду частотами парциальных и связанных колебаний, %

Крутильней Осевые

5ДКРН 53/170 26,836 16,019 26,736 15,583 25,518 27,693 2,73 4,56 3,79

8ДКРН 58/170 5,624 7,215 19,326 9,603 24,349 5,586 7,203 9,192 19,226 24,225 0 0 4,28 0 0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ешолнеш&е теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие вывода.

I. ВалсцроЕОду судовой дизельной установки свойственны связанные колебания. Ряд авторов экспериментально подтвердили существование связи менаду крутильными, осевыми и изгибкими колебаниями. ГЬханизм связи заключается в конструктивных особенностях коленчатого вала и гребного винта.

2. Разработке методов расчета связанных колебаний судовых валопройодов посвящено много оригинальных работ. Несмотря на это, до сих пор нет общепризнанной методики, которая удовлетворяет запросам проектных организаций.

3. Численное моделцрование одномассовой дискретной модели показало, что при одинаковых значениях безразмерных коэффициентов упругой и инерционной связей последняя оказывает преобладающее влняние на перераспределение энергии колебаний.

4. В упругих взаимосвязанных системах колебания по одной координате всегда, приводят к возбуждению колебаний в направлении других координат. Амплитуды соответствующих колебаний зависят от соотношений мевду собственными частотами системы и частотами внешних вынукдашцих усилий. При благоприятных условиях колебания по всем координатам становятся соизмеримыми друг с другом.

5. Разработанный матричный метод'формирования и решения система уравнений позволяет с одшаковыы успехом исследовать свободные и вынужденные колебаний как парциальных, так и взаимосвязанных дискретных систем с любым числом ответвлений.

6. Предлагаемая дискретизация гребного винта дает возможность учесть конструктивные особенности его лопастей и тем салим обнаружить механизм упругой связи крутильных, осевых и изгибкк. колебаний система "лопасть-ступица-валоцровод?

7. Хорошей качественное и количзственное совпадение результатов расчета и модельных испытаний подтвердили правомерность теоретического подхода к получению зависимостей (5), (б) и (7). Установлено, что идеализация лопастей отдельными массами имеет практическую значимость только для гребных винтов большого диаметра.

8'. Расчеты крутильно-осевых колебаний валоцроводов контейнеровозов типа " РсСБЗйТ" показали, что амплитуда осевых колебаний существенно возрастают на резонансных режимах по крутильным колебаниям.. Так, в установке с двигателем 5ДКРН 58/170 при резонансе крутильных колебаний 5 порядка одноуз-ловой формы возникают осевые колебания того же порядка с амплитудой 0,31 мм на свободном торце коленчатого вала. Это на 50% превышает амплитуды, найденные расчетом соответствующих парциальных колебаний.