автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Разработка технологии изготовления и испытаний упругодемпфирующих элементов из проволоки для использования на судах и кораблях

На правах рукописи Бегаева Жанна Петровна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПЫТАНИЙ УПРУГОДЕМПФИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА СУДАХ И КОРАБЛЯХ

Специальность 05.08.04 «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

г 1 МАР 2013

Санкт - Петербург 2013

005050720

005050720

Работа выполнена на кафедре «Судостроительное производство и сварка» филиала «Севмашвтуз» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

Научный руководитель:

Горин Сергей Васильевич доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Герасимов Николай Иванович доктор технических наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник ОАО «Центр технологии судостроения и судоремонта», г.Санкт-Петербург

Шурпяк Владимир Кириллович кандидат технических наук, главный специалист отдела механического оборудования и систем Главного Управления Российского Морского Регистра Судоходства, г. Санкт-Петербург.

Ведущая организация:

ОАО производственное объединение «СЕВМАШ», г.Северодвинск

Защита диссертации состоится 9 апреля 2013г., в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.228.05 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете, по адресу: 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская д.З, аудитория А -313

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Автореферат разослан

Учёный секретарь диссертационного совета Кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы На стадиях проектирования, постройки и ремонта судов и кораблей различного назначения используются технологические процессы, основанные на использовании передового опыта инженерной подготовки строительства и модернизации судов, а также на материалах, из которых изготавливают корпуса судна и судовые системы, оборудование и комплектующие. При этом обязательным условием является выполнение требований обеспечения необходимого уровня их надежности.

Полностью исключить вредное воздействие вибрации на человека, технику и окружающую среду невозможно, но разработать комплекс методов и средств для защиты от вибрации и шума, как людей, так и машин - обязанность проектантов и строителей кораблей.

Одной из важнейших проблем стоящих в настоящее время перед судостроением является разработка новых конструкций для гашения вибрации, технологий их изготовления. Традиционные материалы к настоящему времени практически достигли предела своих эксплуатационных свойств, т.к. относительно быстрое старение резины, невозможность ее использования в условиях высоких температур и в агрессивных средах ограничивают области применения резино-металлических средств борьбы с шумом и вибрацией.

Данная работа посвящена разработке технологий изготовления и испытаний пористого конструкционного материала - упругодемпфирующих элементов (УДЭ) из прессованной проволоки, сочетающих в себе свойства металлов (прочность, коррозионную стойкость и способность надежно работать в условиях ионизирующего излучения и при высоких температурах) и резины (хорошие упругие и диссипативные свойства), а также технологии изготовления на их основе элементов судовых конструкций с более высокими эксплуатационными характеристиками.

Цель работы - создание упругодемпфирующего материала для атомной энергетики, обладающего высокими физико-механическими эксплуатационными и технологическими свойствами, экологической чистотой; установление

фундаментальных связей между пористостью, технологией изготовления и свойствами УДЭ, определение физических характеристик УДЭ как конструкционного материала.

Основные задачи исследования:

1. Разработать технологию изготовления пористого материала - УДЭ из прессованной проволоки, отвечающего требованиям, предъявляемым к судовым атомным энергетическим установкам.

2. Определить критерий выбора материала проволоки в зависимости от условий эксплуатации УДЭ.

3. Исследовать влияние режимов технологических воздействий при производстве УДЭ на их структуру. Оптимизировать технологию получения материала с заданной структурой и свойствами.

4. Создать методики и разработать технологии испытаний нелинейных упругих элементов для определения зависимости физико-механических свойств от макроструктуры материала, т.е. его пористости.

5. Разработать программное обеспечение для обработки экспериментальных данных и оптимального подбора аппроксимирующих функций, наиболее точно соответствующих экспериментально полученным зависимостям физических свойств от пористости элементов.

6. Разработать рекомендации по стандартизации УДЭ, контролю качества изготовления.

Методы исследования

Решение поставленных задач осуществлялось расчётно-экспериментальными методами исследования.

Достоверность полученных результатов достигалась путём применения современного прецизионного измерительного оборудования фирмы «Брюль и Къер» (Дания), современных методов цифровой обработки данных с использованием ПЭВМ.

На защиту выносятся:

• технологические процессы производства и испытаний УДЭ для судового машиностроения;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований физико-механических характеристик УДЭ из прессованной проволоки и полученные зависимости свойств УДЭ от пористости материала;

• рекомендации по использованию УДЭ в судостроительной отрасли;

• методы расчета характеристик и эффективности средств снижения вибрации конструкций с УДЭ.

• создание производственного участка по изготовлению упругодемпфиру-ющих элементов из прессованной проволоки для обеспечения потребностей судостроительного предприятия (ОАО «ПО»СЕВМАШ»). Научная новизна:

Разработан и доведен до промышленного производства способ изготовления конструкционного материала, обладающего одновременно свойствами металла и резины, способного работать в условиях динамических нагрузок, ионизирующего излучения и при высоких температурах.

Впервые установлены связи между объёмным содержанием воздуха в УДЭ (т.е. его пористостью) и физико-механическими свойствами данного материала.

Созданы технологии испытаний металлических аналогов резины с нелинейной зависимостью «сила - деформация» Практическая ценность:

Даны рекомендации по созданию на базе УДЭ цельнометаллических конструкций, уменьшающих вибрацию оборудования и препятствующих разрушению конструкций, повышающих пожарную безопасность и износостойкость, разработаны технические требования к УДЭ, необходимые для их промышленного производства. Разработан технологический процесс по изготовлению УДЭ для амортизаторов блока паровых задвижек II контура, дейдвудного подшипника судового валопровода. Пневматические молотки, при использовании в качестве демпфера УДЭ, в ходе проведённых испытаний во всем частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц не превышали предельно допустимых уровней вибрации, оговоренных ГОСТ 17770-86. Что достигнуто впервые в мировой практике. Приведены результаты испытаний разработанных и изготовленных УДЭ

на соответствие требований ТУ на поставку, а также результаты дополнительных испытаний по выявлению факторов, влияющих на статические и динамические характеристики УДЭ. По результатам ^абот сделаны выводы и предложения для дальнейшего промышленного й^мйодства.

Результаты работы используются ОКБМ (Нижний Новгород), СПМБМ «Малахит» и ЦКБ МТ «Рубин»

Личный вклад автора: Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов, обработке и анализе данных [1, 3, 4, 5, 10],а также их интерпретации. В работах [1, 2, 6, 7, 8, 9] автором были сделаны аналитические выводы. Разработаны методики, программное обеспечение для расчёта зависимости коэффициента динамической жёсткости УДЭ от пористости при различных частотах [4].

Апробация работы Основные результаты работы представлены на: Международной конференции "Поморье в Баренц-регионе на рубеже веков: экология, экономика, культура", Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 2000; Ломоносовских чтениях, Северодвинск, 2004; региональной научно-технической конференции с международным участием «Кораблестроительное образование и наука-2005», Санкт-Петербург, 2005; научно-практической конференции "100 лет Российскому подводному флоту", Северодвинск, 2006.

Публикации.

10 научных статей. 2 статьи выполнены без соавторов, авторское участие в остальных от 30% до 50%.

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях опубликовано 3 статьи, авторское участие в которых от 30% до 50%.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы, приложений. Основное содержание изложено на 138 страницах, включает 48 рисунков, 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении изложена актуальность темы и основные направления диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены технологии монтажа судового оборудования и трубопроводных систем с применением в качестве опорных и упорных изделий различного рода амортизаторов и подвесок или опор трубопроводов. Рассмотрено применение резиновых элементов в качестве упругих элементов штатных амортизаторов и подвесок трубопроводов. Сделаны выводы об ограниченности сфер применения данных амортизирующих устройств.

Рассмотрены технологии изготовления УДЭ, используемые в различных странах и их основные свойства как конструкционного материала.

Для широкого использования УДЭ, необходимо проведение работ по определению таких основных характеристик материала как: модуль Юнга, динамической, вибрационной и ударной жёсткостей, коэффициент трения, удельная теплоёмкость и теплопроводность УДЭ, электрическое удельное сопротивление. Представлен обзор известных технологий испытаний, позволяющий сделать вывод, что существующие методики определения физических свойств материалов не всегда применимы к УДЭ, вследствие нелинейности зависимости силы от деформации для данного материала и существенного влияния пористости на физико-механические характеристики.

Во второй главе разработана технология изготовления УДЭ. Для изготовления УДЭ предложено использовать как нержавеющую стальную, так и бронзовую проволоки любых марок, при условии - проволока должна обладать достаточно хорошими упругими свойствами. Марки проволоки, не обладающие достаточными упругими свойствами, которые претерпевают под действием нагрузок пластические деформации, для изготовления УДЭ виброизолирующих, противоударных, а также ряда других конструкций не пригодны. Исключение могут составить только элементы для звукопоглощающих конструкций, дросселирующих, фильтрующих устройств, при условии, что в процессе эксплуатации они не подвергаются воздействию значительных статических и динамических нагрузок.

Подготовка спиралей. В предлагаемой технологии изготовления, основой для производства УДЭ, является спираль диаметром не более 2,5мм, полученная прокаткой проволоки между диском и роликом (Рис.1). Навитые спирали немерной длины взвешивают с точностью до 5% от теоретической массы УДЭ.

Длина отрезков плотно навитых спиралей должна быть не менее 1м. Возможно использование не более двух отрезков меньшей длины. Следующим подготовительным этапом будет получение спиралей с шагом, равным диаметру спирали , для чего навитые спирали растягивают. Равенства диаметра и шага проволочных витков обеспечивает оптимальное сцепление между отдельными вит-витками спиралей, что обеспечивает стабиль-Рис. 1 Узел для намотки спирали ность свойств готового изделия.

Изготовление заготовки. Из хаотично уложенной спирали формируется коврик равномерной плотности, произвольной высоты. Коврик формируют на чистой поверхности либо в специальной емкости с размерами, сопоставимыми по параметрам с размерами. Из полученного коврика скатывают рулон, являющийся заготовкой п-аР , > УДЭ,

М=д— /,(1-4

массой Ип 4 Л

где р„ - плотность материала проволоки, с1п-диаметр проволоки; 1„ - длина проволоки.

Окончательное формирование УДЭ методом прессования. В предварительно подготовленные пресс-формы с пуансоном помещаются подпрес-сованные заготовки для УДЭ (Рис.2). Величина усилия прессования и скорость хода пуансона Рис.2 Прессование УДЭ подбирается в ходе изготовления нескольких

пробных УДЭ. Единым значением при изготовлении любого УДЭ будет величина рекомендуемого начального нагружения (11-12)- 104Н.

Данный метод изготовления УДЭ позволяет использовать высокопроизводительное оборудование для навивки спирали, и изготавливать образцы с заранее заданной пористостью ^ _} Ум где Ум - объем металла в элементе, У0 - объем образца УДЭ.

Испытания на соответствия ТУ. Имитируя номинальную нагрузку на УДЭ, помещённые в приспособления аналогичные посадочным местам в арматуре изделий, определяется величина статической деформации УДЭ.

УДЭ до настоящего времени остаётся пока единственным пористым упругим материа-Рис.З УДЭ различной формы лом со сквозными порами, позволяющий создавать конструкции практически любой формы и размера (Рис.3).

В третьей главе представлены разработки по проведению испытаний для определения различных физических свойств УДМ из проволоки сплава 36НХТЮ5М, результаты экспериментов и полученные зависимости физических свойств от макроструктуры (пористости) материала.

Ресурсные испытания. Наиболее достоверная информация о фактическом ресурсе любой установки или элемента оборудования может быть получена путём анализа опыта длительной эксплуатации натурных конструкций в составе действующих механизмов или с помощью ресурсных испытаний полномасштабных моделей на наземных стендах. Однако, ввиду больших сроков службы оборудования, исчисляемых годами, и тенденции к постоянному их увеличению, результаты такого анализа не могут быть получены быстро. Поэтому практически осуществимым в более короткие сроки будет являться — метод ускоренных испытаний (в совокупности с постоянным поиском путей уменьшения сроков проведения ресурсных испытаний). Общепринятая методика расчёта величины работы основана на том, что между силой и деформацией

существует линейная зависимость F = bx-а (рис.4), что соответствует классической модели упругих деформаций.

В случае применения данной методики к расчёту энергетических процессов в нелинейных упругих элементах, которыми и являются УДЭ, получаем заниженные данные по ресурсу данных элементов из прессованной проволоки с явно выраженной нелинейной зависимостью силы от деформации F = fix). За один цикл деформирования эта разница работ численно равна площади 1-2-3-

Рис.4 Определение работы при нелинейных колебаниях

Результаты эксперимента позволяют сделать выводы о том, что увеличение высоты испытуемых образцов приводит к завышению сроков ресурсных испытаний. Исходя из вышесказанного, представляется не целесообразным проводить ресурсные испытания на деталях конструкций из УДЭ натуральной величины, требуется провести эксперименты с единичным элементом, и произвести перерасчёт требуемых параметров. Рассчитаем жёсткость конструкции из УДЭ, приняв за модель совокупность параллельно и последовательно соединённых упругих элементов. (Рис. 5, а) - механическая аналогия; 5, б) - элементарный объём заменяется пружиной жёсткостью ^)

Формула для расчётов жёсткости УДМ произвольной высоты, любой площади поперечного сечения

' F

4-1.Серия испытаний проводились на УДЭ различных пористостей.

х

Предложенная в работе методика, учитывающая нелинейность силы, дает возможность получения более достоверных результатов при проведении ресурсных испытаний. Разность работ за цикл деформирования для УДЭ 10-15%.

а)

где крезульт - жёсткость УДЭ произвольной формы; L, Socmea„„„ - высота и площадь УДЭ произвольной формы; Кздм - объём УДЭ произвольной формы; h, Se0

- высота, площадь единичного элемента; Ved -объём единичного элемента, к- жёсткость единичного объёма.

Динамическая вибрационная жесткость и коэффициент потерь.

Для определения динамической вибрационной жесткости в частотной области разработан расчетно-экспериментальный метод. Получение информации для расчетов динамической вибрационной жесткости и коэффициентов потерь осуществлялись с помощью виброакустического стенда (рис.6, а), состоящим из датчиков колебаний 5, предварительных усилителей 6, анализатора сигна-

Рис.5 Разбиение УДЭ лов 7, ЭВМ 8, графопостроителя 9, усилителя

мощности 10, электродинамического вибратора 11. На основании 1, на упругих связях 2, установлен образец из УДЭ 3, нагруженный номинальной массой 4. Определение упругих и диссипативных характеристик основано на измерении отношения колебательных скоростей на входе и выходе испытуемого элемента. Результаты испытаний выводятся на графопостроитель.

Воспользуемся электроакустическими аналогиями меясду массой, гибкостью, сопротивлением трения в механических колебательных системах и индуктивностью, емкостью и сопротивлением в электрических цепях. Тогда для данной колебательной системы эквивалентной электрической схеме (рис.6, б), согласно правилам Кирхгофа запишем:

б)

где 2гг,=)соМ; гх=1/()соС); М-масса; С-гибкость; 1-сила тока.

1-Ж

Обозначив за в уравнении (1), получим:

С =

со -М '

С

ъ.

а)

б)

Рис.6, а) Блок-схема стенда для исследования жесткостных и диссипативных характеристик, б) электрическая аналогия блок-схемы стенда Учитывая, что гибкость С =1/к и, вводя понятие комплексной жесткости к= к(1-.¡т]), получим

ч ш2 М (І-ЯеІУ) Л ІтЖ + =--Ч-т\ 1+ /-

(3)

В формуле (3) действительная часть будет являться выражением, позволяющим рассчитать динамическую вибрационную жёсткость УДЭ

к =

(4)

(1-КеЖ)2 + 1т(У2

Мнимая часть уравнения (3) будет являться формулой для расчёта коэффициента потерь, т.к. именно мнимая составляющая (5) отвечает за диссипа-тивные свойства УДЭ в частотной области

Іт IV

І-Яе»'

К-106,

Зависимость динамической жесткости УДЭ от пористости при различных

частотах (Рис.7) можно представить для наглядности в виде поверхности в осях пористость-частота-коэффициент динамической жесткости УДЭ.

Динамическая ударная жесткость. Для того чтобы определить £ Гц ударную жёсткость УДЭ, была разработана методика испытаний, основывающаяся на измерении ударного импульса и дальнейшем расчёте необходимых характеристик. Заданными параметрами в данном опыте будут являться масса падающего груза и скорость удара, равная соответственно скорости груза в момент касания УДЭ. Суть проводимого эксперимента состоит в том, что на исследуемый образец УДЭ с высоты Ь падает груз известной массой М. Для обеспечения требуемой начальной скорости деформирования УДЭ, экспериментально подбирается необходимая высота поднятия груза. На грузе устанавливается акселерометр, измеряющий величину мгновенного ускорения во времени. Акселерометр преобразует величину ускорения в электрический сигнал, пропорциональный ускорению, который, предварительно пройдя через усилитель, подаётся на двухканальный узкополосный анализатор. Динамическая ударная жесткость определялась по формуле

Рис.7 Зависимость динамической жесткости УДЭ от пористости при различных частотах

=

А/г /у-^у, _ АХ Хі - ХІЛ

т{Х

■А/

Х0+^(8-Хк)А1

к=г

где Г- силаД-смещение, X - скорость, X - ускорение. Скорость груза в

(6)

момент касания УДМ ¿„=72ІЛ.

В соответствии с данным алгоритмом проведения эксперимента была составлена программа для мини-ЭВМ, совместимой с узкополосным анализато-

ром типа 2034. Расчет динамической ударной жесткости УДЭ проводился по анализу экспериментально полученной зависимости силы от времени, т.е. по ударному импульсу считываемому ЭВМ с анализатора. Зная зависимость величины ударного импульса от времени, можно рассчитать зависимости скорости деформирования испытуемого УДЭ и смещения от времени, и по формуле (6) с требуемым шагом по деформации рассчитать динамическую ударную жесткость образца УДЭ.

Коэффициент теплопроводности упругодемпфирующего материала.

При линейном распределении температуры по толщине исследуемого образца, пренебрегая потерями тепла, считаем количество тепла, полученного

приемником за время ей, равным количеству тепла, прошедшего через образец за это время. После математических преобразований, формула для расчёта коэффициента теплопроводности имеет вид

с-т-И 1п(Тн-ТШР)

5 • (12-Ц) (Тн Т2ПР)

где

01 03 03 0.4 0І 0.6 0.7 0.8 05

Т и Т

1 \ПР 1 2ПР

начальная и конечная

д температуры приемника в момент Рис.8 Зависимость теплопроводности от пористости времени И /2, С - удельная теплоёмкость УДЭ; т - масса образца УДМ; А - толщина исследуемого образца; 5 -площадь поверхности образца, через которую проходит тепловой поток; X -коэффициент теплопроводности образца.

По результатам эксперимента построена зависимость (рис. 8) коэффициента теплопроводности от пористости образца изготовленного из проволоки 36НХТЮ. В диапазоне пористости 0,45<П<0,8 УДМ имеют коэффициент теплопроводности порядка 0,2Вт/м К близкий коэффициенту теплопроводности асбеста - экологически вредного материала.

По результатам испытаний образцов УДЭ из прессованной проволоки 36НХТЮ диаметром 0,2 мм получены следующие данные:

• выдерживают назначенный ресурс - 60000 часов (15 лет) в условиях воздействия вибрационных нагрузок с ускорениями до 0,5g на частотах менее 50 Гц при амплитудах до 0,3 мм;

• работают при температурах от -50 °С до +350 °С в присутствии паров масла, топлива, нефти, а так же при попадании на них пресной и морской воды и горюче-смазочных материалов; выдерживают без разрушения статическую нагрузку равную пятнадцатикратной номинальной;

• после воздействия пятикратной ударной нагрузки с ускорением до 100§ или с начальной скоростью (2-3) м/с и вызывающей его деформацию (2025) % от номинальной высоты, не имеют остаточных деформаций, превышающих 10% от первоначальной высоты;

• имеют коэффициенты потерь не менее 0,1-0,15;

• при работе в составе подвесок паропроводов с деформацией до 25% от номинальной высоты без разрушений обеспечивают осевые перемещения труб относительно подвесок до 30 мм при не менее 300 циклах разогрев-охлаждение трубопроводов;

• при погружении в 3% раствор №С1 после пяти суток выдержки электрохимический потенциал устанавливается в пределах (+0,34 ...+0,37) В;

• коэффициент теплопроводности при 400 К порядка 0,2 Вт/м-К;

• удельное электрическое сопротивление при пористости 0,8 около 8,5мОмм

При наработке, эквивалентной ресурсу 120000 часов (30 лет) в условиях воздействия вибрационных нагрузок с ускорениями до 0,5§ на частотах менее 50 Гц при амплитудах до 0,3 мм образцы сохраняли работоспособность.

В четвёртой главе даны рекомендации по практическому применению УДЭ при создании цельнометаллических конструкций.

Цельнометаллические амортизаторы. Для снижения нагрузок на фундамент оборудования можно предложить использование цельнометаллических

амортизаторов. Технические характеристики амортизатора определяются в большей степени характеристиками упругодемпфирующих элементов.

В проводимом эксперименте модель станка устанавливалась на цельнометаллические амортизаторы с УДЭ разных пористостей. В предложенной методике определение упругих и диссипативных характеристик основано на измерении отношения колебательных скоростей на входе и выходе испытуемого элемента, что в данном случае эквивалентно измерению виброскорости на корпусе станка и на фундаменте. Результаты испытаний выводятся на графопостроитель в графическом виде. На рис. 9 показаны графические зависимости логарифмического уровня виброскорости L от частоты f для УДЭ пористостью 0,8. Применение цельнометаллических амортизаторов с УДЭ пористостью 80%, снижает логарифмический уровень виброскорости на рабочих частотах станка в среднем на 15 дБ.

Г-1 -m _!—

-L J- -1 Г" —^ І , 1 _

е- - - штшшт - і ! ...

-

N . ¡.. ; . | : . —

к « к к :: « *-» я и «к к» і» т «сю.

£ Гц

Рис. 9 Зависимости логарифмического уровня виброскорости Ь от частоты ґ

- на корпусе станка, на фундаменте

Упругодемпфирующие элементы из прессованной проволоки для амортизаторов блока паровых задвижек. Данный пункт составлен по результатам выполнения работ в соответствии с техническим заданием № 94.41/95ТЗ на разработку технологического процесса по изготовлению УДЭ из прессованной проволоки для амортизаторов блока паровых задвижек (Рис.10). Приведены результаты испытаний разработанных и изготовленных УДЭ на соответствие требований ТУ на поставку, а также результаты дополнительных испытаний по вы-

явлению факторов, влияющих на статические и динамические характеристики УДЭ. Показаны зависимости характеристик от величины статической нагрузки и амплитуды деформаций. По результатам работ сделаны выводы и предложения для дальнейшего промышленного производства.

ч»»

а)

б)

Рис. 10 Амортизатор цельнометаллический типа АСМ-800 а) разобранный,

б)сборка

Пневматический молоток. Для защиты рук рубщиков от вредного воздействия вибрации, возникающей в результате работы с пневматическим рубильным молотком, разработана не имеющая аналогов в мире конструкция пневмомолотка с противоударным демпфером, в котором в качестве рабочих элементов использованы УДЭ из прессованной проволоки. Опытная партия из

пяти пневматических молотков

І*, «Б

140

— — ПДУ ПО ГОСТ 17770-86

| - * До модернизации

1 і " - Лос/да модернизации

N _

- -*'

і '

500 1000

Рис.11 Спектрограммы уровней вибраций пневматического рубильного молотка.

прошла виброакустические и ресурсные испытания в лаборатории и металлургическом цехе ОАО , ПО "Севмашпредприятие". Все пневмомолотки в течение трех месяцев эксплуатации по прямому ,Гц назначению при наработке по 300 часов имели стабильно низкие уровни вибрации (рис.11),

которые во всем частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц не превышали предельно допустимых уровней оговоренных ГОСТ 17770-86.

Подшипник с эластичными вкладышами. Новизна технического решения конструкции данного подшипника состоит в том, что вкладыш 1, облицованный изнутри антифрикционным материалом, установлен в корпусе 2 подшипника не жестко, а через эластичные упругодемпфирующие элементы 3, которые

размещаются в гнездах корпуса подшипника, а вкладыш заводится благодаря наличию пазов 4. Чтобы исключить осевое перемещение вкладыша в корпусе подшипника при работе валопровода 5, в пазах предусмотрены короткие отводы, а проворачивание вкладыша в

Рис.12 Конструкция подшипника с эластичными вкладышами

корпусе исключается

благодаря наличию специальных эластичных стопоров (на рисунке не показаны). Оптимальное отношение длины такого подшипника к его диаметру 1УП)= 1.Для тяжело нагруженных судовых валопроводов дейдвудный подшипник следует изготовлять составным из двух, трех и т.д. подшипников с эластичными вкладышами. Такой подход позволит получить более равномерное распределение нагрузок по длине составного подшипника и исключить повреждение вкладышей в процессе эксплуатации как в условиях статических так и в условиях динамических нагрузок.

Выводы

1. Данная работа является комплексным исследованием, содержащим новую концепцию подхода к решению технологических и конструкторских задач, | связанных со снижением негативного воздействия вибрации как на элементы и

системы энергетических установок, так и непосредственно на человека. Эта концепция основана на использовании в кораблестроительной и машиностроительных отраслях экологически чистых упругодемпфирующих элементов из прессованной проволоки - металлических аналогов резины.

2. Отработаны и апробированы технологии изготовления и испытаний УДЭ, определён диапазон пористости УДЭ для корабельных конструкций.

3. На базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны инжейерные методики расчета, в том числе:

а) методика расчета статической, динамической вибрационной, ударной жесткостей, магнитной проницаемости, удельной теплоёмкости, теплопроводности и удельного электрического сопротивления УДЭ;

б) методика расчета в частотной области дйссипативных характеристик упругодемпфирующих элементов;

4. Изготовлены и отлажены испытательные стенды для экспериментальных исследований, проведены вариантные испытания опытных образцов упругодемпфирующих элементов, определены наиболее оптимальные марки материала проволоки, пористость, геометрические размеры, что позволило рекомендовать промышленности их йспользования для решения актуальных задач в области виброакустической экологии.

5. На базе упругодемпфирующих элементов разработаны цельнометаллические конструкции, повышающие надежность, пожарную безопасность и живучесть кораблей с атомными энергетическими установками (амортизаторы, опоры трубопроводов, упругая опора вала и др.).

Использование результатов данной работы предприятиями судостроения и других отраслей промышленности позволит снизить вероятность возникновения аварий, связанных с радиоактивным загрязнением окружающей среды, уменьшить возможность возгорания и пожаров, как в процессе постройки кораблей, так и в процессе их эксплуатации, отказаться от использования для защиты от огня и возгорания экологически опасного материала - асбеста.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

I Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Бегаева Ж.П., Горин C.B. Технология изготовления упругодемпфирующих элементов и их применение для снижения колебаний оборудования и систем атомных энергетических установок. - Перспективные материалы, 2006, № 5, с.31-34, (автор-50%)

2. Бегаева Ж.П., Горин C.B., Лычаков А.И. Средства снижения колебаний оборудования и систем атомных энергетических установок. - Вестник машиностроения, 2006, № 12, с. 75-77, (автор - 30%)

3. Бегаева ЖЛ., Горин C.B. Физико-механические свойства металлических упругодемпфирующих элементов. - Перспективные материалы, 2007, № 6, с.39-43, (автор-50%)

II Прочие публикации:

4. Бегаева Ж.П., Горин C.B. О некоторых физико-механических свойствах металлорезины и возможности её применения для решения экологических проблем северного региона. // Материалы международной конференции. -Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 2000, с.27, (автор-50%)

5. Бегаева Ж.П., Малышев Д.В. Физико - механические свойства металлорезины и возможности её применения. // Исторический очерк СЕВМАШВТУЗ: вчера, сегодня, завтра. - Северодвинск, РИО Севмашвтуза, 2000, с. 60-62, (автор - 50%)

6. Бегаева Ж.П., Горин C.B. Определение ударных характеристик упругодемпфирующих элементов. // Вопросы технологии, эффективности производства и надёжности. Выпуск №20. - Северодвинск: НТО судостроителей им. акад. А.Н.Крылова; Севмашвтуз, 2004, с.129-131, (автор - 50%)

7. Бегаева Ж.П. Экспериментальное исследование зависимости динамической вибрационной жёсткости упругодемпфирующих элементов от их пористости. // Вопросы технологии, эффективности производства и надёжности. Выпуск №20.-Северодвинск: НТО судостроителей им. акад. А.Н.Крылова; Севмашвтуз, 2004, с.132-136, (автор -100%)

8. Бегаева Ж.П., Горин C.B. Исследование удельного сопротивления упругодемпфирующих элементов из металлической прессованной проволоки. // Сборник научных трудов НИПТБ «Онега», г. Северодвинск, 2005, с.40-43, (автор - 50%)

9. Бегаева Ж.П., Горин C.B. Цельнометаллические средства снижения шума и вибрация плавучих атомных теплоэлектростанций. // Материалы региональной научно-технической конференции с международным участием "Кораблестроительное образование и наука-2005", Санкт-Петербург СП6ГМТУ,2005. Том 2, с.367-370, (автор - 50%)

10. Бегаева Ж.П. Применение упругодемпфирующих элементов для снижения уровней вибрации и повышения пожарной безопасности энергетических установок и электрооборудования. // Научно- практическая конференция 100 лет Российскому подводному флоту. Сборник докладов (часть 1) 2-4 марта 2006г., г. Северодвинск, с.37-42, (автор - 100%)

Филиал «Севмашвтуз» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

Бегаева Жанна Петровна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПЫТАНИЙ УПРУГОДЕМПФИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ПРОВОЛОКИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА СУДАХ И КОРАБЛЯХ

Специальность 05.08.04 «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства»

На правах рукописи

СМ

ю ю

диссертация на соискание учёной степени

Научный руководитель: д.т.н., доцент Горин Сергей Васильевич

кандидата технических наук

г. Северодвинск 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................6

I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................9

1.1 Конструктивные элементы и технологические процессы

используемые в судостроении, требующие доработки для

обеспечения долговечности и надежности работы...................................9

1.2 Технология монтажа вибронагруженных конструкций с использованием штатных амортизаторов.............................................19

1.3 Цельнометаллические упруго демпфирующие элементы.....................21

1.4 Основные свойства упругодемпфирующего элемента как конструкционного материала............................................................23

1.5 Обзор известных технологий испытаний

упругодемпфирующих элементов.....................................................27

1.6 Постановка задач исследования...................................................34

II ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПРУГОДЕМПФИРУЮЩИХ

ЭЛЕМЕНТОВ...........................................................................36

2.1 Упругодемпфирующие элементы из прессованной проволоки.............36

2.2 Материал, используемый при производстве

упругодемпфирующих элементов......................................................37

2.3 Технологические этапы изготовления............................................39

2.4 Оценка качества структуры упругодемпфирующих элементов.............45

2.5 Выводы по разделу....................................................................48

III РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИСПЫТАНИЙ

УПРУГОДЕМПФИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ.......................................49

3.1 Определение статической жесткости.............................................49

3.2 Определение динамической вибрационной жесткости.......................49

3.3 Определение диссипативных свойств...........................................51

3.4 Определение динамической ударной жесткости...............................53

3.5 Определение зависимости модуля Юнга от пористости

у пру го демпфирующих элементов......................................................56

3.5.1 Описание экспериментальной установки......................................56

3.5.2 Обработка результата исследования............................................58

3.6 Экспериментальное исследование зависимости динамической вибрационной жесткости упругодемпфирующих элементов от их

Пористости.................................................................................61

3.6.1 Проведение экспериментального исследования..............................61

3.6.2 Обработка результатов исследования..........................................62

3.7 Определение зависимости удельного электрического сопротивления упругодемпфирующих элементов от пористости...................................66

3.7.1 Технология определения сопротивления методом амперметра..........68

3.7.2 Определение сопротивления мостовым методом............................71

3.8 Определение зависимости теплоёмкости упругодемпфирующих элементов от пористости................................................................73

3.8.1 Разработка экспериментальной установки для определения теплоёмкости................................................................................73

3.8.2 Математическая обработка результатов эксперимента.....................75

3.9 Экспериментальное исследование магнитных свойств упругодемпфирующих элементов......................................................78

3.9.1 Описание экспериментальной установки....................................78

3.9.2 Вывод формулы для расчёта магнитной проницаемости сердечника катушки......................................................................................78

3.9.3 Определение зависимости магнитной проницаемости упругодемпфирующих элементов от пористости..................................82

3.10 Определение зависимости теплопроводности упругодемпфирующих элементов от пористости материала...................................................83

3.10.1 Вывод формулы для расчета теплопроводности материала..............83

3.10.2 Обработка результатов эксперимента.........................................85

3.11 Расчет энергетических характеристик УДЭ при их деформации и определение путей снижения сроков ресурсных испытаний...................87

3.12 Технические условия на элементы упругодемпфирующие из прессованной проволоки.................................................................95

3.13 Выводы по разделу..................................................................98

IV ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ УПРУГОДЕМПФИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ СОЗДАНИИ ЦЕЛЬНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ...........................................................................100

4.1 Применение цельнометаллических амортизаторов, содержащих упругодемпфирующие элементы......................................................100

4.2 Упругодемпфирующие элементы из прессованной проволоки для амортизаторов блока паровых задвижек............................................102

4.2.1 Разработка технологии изготовления элементов амортизатора........105

4.2.2 Испытания на соответствие требованиям технических условий.......106

4.3 Использованием упруго демпфирующих элементов в подвесках трубопроводов............................................................................109

4.3.1 Снижение вибрации трубопровода путём изменения жёсткости опор. 109

4.3.2 Результаты испытания паропровода с подвесками, содержащими упругодемпфирующие элементы......................................................111

4.3.3 Разработка технических условий для упругодемпфирующих элементов в подвесках судовых паропроводов...................................................115

4.3.4 Методы контроля изготовляемых упругодемпфирующих элементов.. 118

4

4.4 Упругая опора вала..................................................................119

4.5 Ручной пневматический инструмент ударного действия...................125

4.5.1 Пневматический молоток........................................................125

4.5.2 Кернер пневматический..........................................................131

4.6 Выводы по разделу..................................................................135

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ............................137

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................138

Приложение 1.............................................................................148

Приложение 2.............................................................................150

Приложение 3.............................................................................153

Приложение 4.............................................................................180

ВВЕДЕНИЕ

На стадиях проектирования, постройки и ремонта судов и кораблей различного назначения используются технологические процессы, основанные на использовании передового опыта инженерной подготовки строительства и модернизации судов, а также на материалах, из которых изготавливают корпуса судна и судовые системы, оборудование и комплектующие. При этом обязательным условием является выполнение требований обеспечения необходимого уровня их надежности.

Отечественный и зарубежный опыт создания новых образцов военной техники свидетельствует о том, что абсолютно безопасной техники не бывает, а ее эксплуатация всегда связана с вероятностью возникновения аварийных ситуаций, во многих случаях обусловленных вибрацией. В этом отношении подводные лодки и корабли с атомными энергоустановками являются наиболее сложными и потенциально опасными объектами. Вибрация и шум не только снижают надежность систем и механизмов, но и приводит к истощению нервной системы личного состава, способствует утомляемости и ошибочным действиям особенно в аварийных ситуациях.

Полностью исключить вредное воздействие вибрации на человека, технику и окружающую среду невозможно, но разработать комплекс методов и средств для защиты от вибрации и шума, как людей, так и машин -обязанность проектантов и строителей кораблей.

Одной из важнейших проблем, стоящих в настоящее время перед судостроением, является разработка новых конструкций для гашения вибрации, технологий их изготовления. Для чего необходимо знать физико-механические свойства материалов. Традиционные материалы к настоящему времени практически достигли предела своих эксплуатационных свойств, т.к. относительно быстрое старение резины, невозможность ее использования в условиях высоких температур и в агрессивных средах ограничивают области применения резинометаллических средств борьбы с шумом и вибрацией.

Данная работа посвящена разработке технологий изготовления и испытаний пористого конструкционного материала - упругодемпфирующих элементов (УДЭ) из прессованной проволоки, сочетающих в себе свойства металлов (прочность, коррозионную стойкость и способность надежно работать в условиях ионизирующего излучения и при высоких температурах) и резины (хорошие упругие и диссипативные свойства), а также технологии изготовления на их основе элементов судовых конструкций, используемых на предприятиях судостроительной отрасли, с более высокими эксплуатационными характеристиками.

Наиболее существенными результатами, которые выносятся на защиту, являются следующие:

• технологические процессы производства и испытаний УДЭ для судового машиностроения;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований физико-механических характеристик УДЭ из прессованной проволоки и полученные зависимости свойств УДЭ от пористости материала;

• рекомендации по использованию УДЭ в судостроительной отрасли;

• методы расчета характеристик и эффективности средств снижения вибрации конструкций с УДЭ.

• создание производственного участка по изготовлению упругодемпфирующих элементов из прессованной проволоки для обеспечения потребностей предприятий Государственного Российского центра атомного судостроения.

Основные результаты работы представлены на международной конференции "Поморье в Баренц-регионе на рубеже веков: экология, экономика, культура" (Архангельск, Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 2000г.), Ломоносовских чтениях (Северодвинск 2004г.), региональной научно-технической конференции с международным участием «Кораблестроительное

образование и наука-2005», Санкт-Петербург, 2005; научно-практической конференции "100 лет Российскому подводному флоту" (Северодвинск 2006г.),

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований по данной работе опубликованы в 10 научно-технических статьях (три из которых являются изданиями, рекомендованными ВАК ).

Даны рекомендации по созданию на базе УДЭ цельнометаллических конструкций, уменьшающих вибрацию оборудования и препятствующих разрушению конструкций, повышающих пожарную безопасность и износостойкость, разработаны технические требования к УДЭ, необходимые для их промышленного производства. Разработан технологический процесс по изготовлению УДЭ для подвесок трубопроводов II и III контуров, амортизаторов блока паровых задвижек II контура, дейдвудного подшипника судового вало-провода. Приведены результаты испытаний разработанных и изготовленных УДЭ на соответствие требований ТУ на поставку, а также результаты дополнительных испытаний по выявлению факторов, влияющих на статические и динамические характеристики УДЭ. По результатам работ сделаны выводы и предложения для дальнейшего промышленного производства. Впервые в практике отечественного кораблестроения достигнуто снижение вибрации оборудования и систем, работающих в условиях повышенной радиации. Результаты работы используются ОКБМ (Нижний Новгород), СПМБМ «Малахит» и ЦКБ МТ «Рубин».

Измерительные стенды используются в лабораториях ОАО ПО "Сев-маш", учебных пособиях филиала СПбГМТУ «Севмашвтуз».

I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Конструктивные элементы и технологические процессы используемые в судостроении, требующие доработки для обеспечения долговечности и

надежности работы

Технологии монтажа судового оборудования и трубопроводных систем [66] используют применение в качестве опорных и упорных изделий различного рода амортизаторов и подвесок или опор трубопроводов.

Широкое применение на судах нашли резинометаллические амортизаторы, позволяющие снижать уровни вибрации корпусных конструкций и систем энергетических установок, а также играющих роль демпферов, снижающих напряжения в элементах судовых конструкций при воздействии ударных нагрузок. Упругими элементами амортизаторов являются резиновые элементы, например, в амортизаторах типа АКСС (амортизатор корабельный сварной, «со страховкой») (рис. 1.1 ,а) или воздух внутри резинокордной оболочки, например в амортизаторах типа АПРК (амортизатор пневматический резинокордный) (рис. 1.1,б).

Технологический процесс монтажа виброактивных трубопроводов судовых энергетических установок подразумевает применение подвесок амортизирующих низкочастотных типа ПТАН (рис.1.2), виброизолирующих сотовых типа ГТВС (рис. 1.3) и стаканов переборочных типа СПВ и ПВСТ (рис. 1.4). Т.к. все эти перечисленные средства уменьшения вибрации имеют в составе виброизолирующих средств резиновые составляющие, то на них распространяются общие технические требования, учитывающие специфику хранения и эксплуатации изделий из резины. Использование резины в качестве виброизолирующих элементов накладывает ряд ограничений рассмотрении допустимых режимов эксплуатации и ужесточает требования к хранению и монтажу.

Рис. 1.1 Судовые амортизаторы типа АКСС (а) и типа АГТРК (б)

Согласно «Типовому технологическому процессу монтажа трубопроводов на податливых виброизолирующих подвесках и переборочных стаканах»

1) не допускается хранение подвесок и стаканов в одном помещении с химически активными веществами, разрушающими резину и защитные покрытия,

2) после транспортировки при температуре ниже 0°С виброизолирующие элементы, резинокордные оболочки и амортизаторы должны выдерживаться не менее 24ч. без деформирования, для прогрева до температуры помещения,

3) во время транспортировки и хранения следует избегать попадания прямых солнечных лучей и воды,

4) в период транспортировки и во время монтажа следует исключать возможность загрязнения и повреждения резиновых элементов,

5) нагрев виброизолирующих и амортизирующих элементов в процессе монтажа и эксплуатации не должен превышать 70°С. Продолжительность нагрева указанных изделий в диапазоне температур от 50 до 70°С должна быть минимальной,

6) при окрашивании трубопроводов и подвесок, следует исключить попадание краски на резиновые детали,

7) категорически запрещён контакт с бензином, уайт-спиритом и другими органическими растворителями,

8) после монтажа на заказе подвески и стаканы должны быть закрыты кожухами или асбестовой тканью во избежание загрязнений резиновых деталей. Указанная защита снимается непосредственно перед швартовыми испытаниями,

9) После монтажа необходимо организовать еженедельный осмотр состояния резиновых, резинокордных и резинометаллических изделий на предмет сохранности их защиты.

Рис. 1.2 Подвеска амортизирующая низкочастотная ПТАН:

1 -хомут;

2 - основание нижнее;

3 - ограничитель;

4- основание верхнее;

5- амортизатор;

6- прокладка

хвостовик не показан

Рис. 1.3 Подвеска виброизолирующая сотовая ПВС: 1 - хомут; 2 - втулка; 3 - виброизолирующий элемент; 4 - болт; 5 - гайка

Рис. 1.4 Стакан переборочный виброизолирующий теплозащищённый

СПВТ

Монтаж виброизолирующих и амортизирующих подвесок осуществляется так же с определёнными ограничениями, возникшими вследствие использования резиновых элементов. Например, если расстояние от места приварки хвостовика до виброизолирующего или амортизирующего элемента подвески менее 200мм, то при сварке следует принять меры, исключающие их нагрев свыше 70°С, путём охлаждения хвостовика асбестовой тканью пропитанной водой.

Установку подвесок на трубопроводы, для которых рабочими температурами будут являться параметры превышающие температуру эксплуатации резины, необходимо проводить, предварительно обеспечив теплоизоляцию подвесок (предварительно рассчитав необходимое количество слоёв прокладок, наматываемых на трубу).

Подвески трубопроводов, как правило, содержат резиновый элемент, который прижимается к стенкам труб при помощи хомутов 1 (рис. 1.2). Технология монтажа подвесок предусматривает обжатие резинового элемента по завинчиванию гаек на болтовых соединениях до 2-3 ниток резьбы после выхода торцевой поверхности от плоскости гайки. Учитывая значительные допуски на изготовление труб, при их монтаже на судне, упругие резиновые элементы имеют неконтролируемую деформацию. Из-за чего возникает неопределенность с величиной жесткости подвесок, а, следовательно, невозможность, на этапах проектирования и постройки судна, получения точных значений частот собственных колебаний трубопроводных систем. Это приводит к возникновению резонансных колебаний и снижению надежности судовых систем [23].

Все специфические требования, обоснованные наличием эле