автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов судовых энергетических установок

004615371

На правах рукописи

ЛЕБЕДЕВ АНАТОЛИИ ИВАНОВИЧ

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ УПОРА ГРЕБНОГО ВИНТА И ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОВ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы» Специальность 05.08.05 - «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)»

- 2 ДЕК 2010

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург

2010 г

004615371

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова» на кафедре «Электродвижение и автоматика судов».

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Жадобин Николай Егорович. Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Каракаев Александр Бахтыреевич.

- кандидат технических наук, Серов Алексей Васильевич.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится« ! 6 » декабря 2010 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 223.002.02 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова» по адресу: 199106, Санкт - Петербург, ВО 21 линия, дом 14 А, аудитория 21. Факс (812) 321 36 81.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной морской академии имени адмирала С.О. Макарова

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 223.002.02, доктор технических наук, профессор

В.А. Петухов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современный этап развития судостроения характеризуется увеличением грузоподъемности и скорости судов, что в свою очередь приводит к возрастанию мощности судовых энергетических установок (СЭУ) и главных размерений судна. Одновременно с ростом мощности СЭУ ужесточаются требования, предъявляемые к системам дистанционного автоматизированного управления (ДАУ).

В правилах классификации и постройки морских судов Российского Морского Регистра Судоходства (РМРС), указано, что системы дистанционного автоматизированного управления должны обеспечивать изменение знака и величины упора движителей во всех допустимых режимах работы (часть XV «Автоматизация», Глава 4.2., п. 4.2.1.). При этом для корректного управления величиной упора гребного винта, прежде всего, необходимо ее измерение.

Помимо этого в международной конвенции СОЛАС (Глава 5, правило 19), имеются требования к оснащению судов навигационными системами и оборудованием, согласно которых все суда, построенные после 1 июля 2002 г. и валовой вместимостью 500 и более р.т., должны иметь индикаторы усилия и направления упора гребного винта и, если возможно усилия и направления упора подруливающего устройства.

При работе судовых энергетических установок в их валах развиваются знакопеременные осевые усилия, приводящие к возникновению продольных колебаний, которые в свою очередь приводят к преждевременному износу и разрушению рамовых, мотылевых и упорных подшипников, а так же вызывают повреждение рабочих поверхностей зубьев шестерен двигателей и редукторов. В ряде случаев продольные колебания валов приводят к обрыву болтов противовесов коленчатых валов и фундаментных болтов главных упорных подшипников (ГУП).

Таким образом, возникает необходимость измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ.

Так как валы судовых энергетических установок обладают значительным запасом прочности, то их упругие деформации, особенно в продольном направлении, ничтожны, что затрудняет преобразование этих деформаций в электрический сигнал. В результате чего, задача надёжного измерения упора гребного винта и продольных колебаний до настоящего времени не имеет удовлетворительного технического решения.

На основании вышеизложенного была определена необходимость разработки системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1. Исследование гидродинамических нагрузок на гребной винт и

определение причин возникновения продольных колебаний валов

судовых энергетических установок.

2. Анализ методов аналитического исследования продольных колебаний.

3. Сравнительный анализ датчиков и систем измерения упора и

продольных колебаний.

4. Определение статических и динамических характеристик

трансформаторного магнитоупругого преобразователя (ТМУП)

осевого усилия.

5. Разработка магнитоупругого датчика с малой чувствительностью к

магнитной неоднородности материала вала.

6. Разработка функциональной и принципиальной схемы системы

измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов

судовых энергетических установок.

7. Проведение экспериментальных исследований системы измерения

упора и продольных колебаний.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использовались методы исследования, основанные на теории электромагнитного поля, теории механических колебаний, теории упругих сред с распределенными параметрами и методах математического моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории «Элементы и функциональные устройства судовой автоматики» ФГОУ ВПО «Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова». Натурные испытания системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний были проведены на танкере-химовозе, дизель-электроходе "Stolt Stream".

Научная новизна. Научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Предложена методика расчета продольных колебаний, в которой вал рассматривается как упругая механическая система с распределенными упруго-массовыми параметрами.

2. Аналитическим, расчетным и экспериментальным методами доказано отсутствие влияния крутящего момента на выходной сигнал магнитоупругого датчика упора.

3. Результаты экспериментальных исследований позволили установить:

- линейную зависимость выходного сигнала трансформаторного магнитоупругого преобразователя осевого усилия;

- отсутствие влияния крутящего момента на выходной сигнал ТМУП осевого усилия;

- значительное уменьшение влияния магнитной неоднородности материала вала в линейно-кольцевом и комплексном магнитоупругих датчиках.

Практическое значение работы.

Практическое значение диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработаны линейно-кольцевой и комплексный магнитоупругие датчики осевого усилия, которые позволяют значительно снизить влияние магнитной неоднородности материала вала;

2. Разработана система автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов судовых энергетических установок на основе трансформаторных магнитоупругих преобразователей осевого усилия.

Внедрение данной системы позволит предотвратить работу СЭУ в режиме продольных колебаний и, как следствие, поможет предотвратить преждевременные поломки их элементов. Достоверность результатов.

Достоверность полученных теоретических результатов и выводов базируется на использовании фундаментальных законов и положений теорий: электромагнитного поля, механических колебаний и теории упругих сред с распределенными параметрами, а так же удовлетворительным совпадением результатов расчетов с данными, полученными при лабораторных и натурных испытаниях.

Достоверность результатов экспериментов обеспечена использованием современных средств измерения и регистрации, и необходимым уровнем воспроизводимости, повторяемости результатов измерения.

Основные положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика расчета продольных колебаний, при которой вал

рассматривается с позиции теории упругих сред с распределенными упруго-массовыми параметрами.

2. Результаты теоретического исследования влияния крутящего момента на

выходной сигнал магнитоупругого датчика упора гребного винта.

3. Система автоматического измерения упора гребного винта и продольных

колебаний валов СЭУ.

4. Результаты экспериментальных исследований системы автоматического

измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ. Реализация и внедрение.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Электродвижение и автоматика судов» в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственная морская академия им. адм. С.О.Макарова» при изучении дисциплин: «Элементы и функциональные устройства судовой автоматики» и «Системы управления судовыми энергетическими процессами». Так же результаты диссертационной работы были использованы в деятельности предприятий: ООО «Комсомольский-на-Амуре речной порт», ООО «СудТехСервис» (Судовой технический сервис) и ООО «ФТО» (Флотское техническое обслуживание).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского

состава, научных сотрудников и курсантов ФГОУ ВПО «Государственная морская академия имени адмирала С.О.Макарова 2003-2009 гг. г. Санкт-Петербург.

2. Конференции профессорско-преподавательского состава государственных

образовательных учреждений высшего профессионального образования г. Санкт -Петербурга, 2007 г.

3. Восьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и

прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» Учреждение Российской академии наук Институт проблем машиноведения РАН, 2007 г., г. Санкт-Петербург.

4. Секции электротехники и автоматизации научно-технического совета

Федерального государственного учреждения Российский Морской Регистр Судоходства, 2008 г. г. Санкт-Петербург.

5. Российской конференции с международным участием «Технические и

программные средства управления, контроля и измерения». Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2008. г. Москва.

6. Второй международной научно-практической конференции «Измерения в

современном мире - 2009». Российская метрологическая академия, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2009 г. Санкт- Петербург.

7. Международной научно-технической конференции «Наука и образование

- 2009». Мурманский государственный технический университет, 2009 г. Мурманск.

8. X Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы». Южно-Российский Государственный технический университет. 2010 г. Новочеркасск.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 24 печатные работы, в том числе 5 патентов на изобретения, 2 статьи в журналах по перечню ВАК, 6 статей в материалах международных и всероссийских конференций.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 93 наименований библиографических источников и одного приложения. Содержит 170 страниц, включая 62 рисунка и 6 таблиц.

Содержание работы. Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные положения, выносимые автором на защиту и дана ее общая характеристика.

В первой главе выполнен анализ гидродинамических нагрузок на гребной винт и характерных повреждений элементов СЭУ, вызванных влиянием продольных колебаний валов.

Проведенный анализ показал, что корректное управление СЭУ возможно только при наличии информации о величине упора, развиваемого гребным винтом.

Продольные колебания валов являются причиной разного рода серьёзных повреждений элементов СЭУ, поэтому необходимо разрабатывать методы их аналитического и экспериментального исследования. Так как природа возникновения продольных колебаний весьма сложна, а некоторые возмущающие силы имеют вероятностный характер, то произвести расчёт основных параметров продольных колебаний затруднительно. Это означает, что в настоящее время основным методом исследования продольных колебаний является их измерение.

Так же в первой главе проведен анализ методов аналитического исследования продольных колебаний, который показал, что при классическом методе расчёта продольных колебаний необходима дискретизация аналитической модели, при, которой вал рассматривается как совокупность сосредоточенных масс и без массовых упругих связей. После чего составляется система уравнений, описывающих движение данной системы:

т, Х1+(с01 +си)х, -с, 2х2 =РДО,

Щ ,А-1 + (с,--и + ~см+Л+1 = РЛ'), ^

И» + +с„_,,л =/>„(')■

177 177 177 XXX

где:- " 2'""' ' -массы грузов; - " 2'""' смещения от положения

с с с Р Р Р

равновесия; - " 2'""' ' - жесткости между грузами; - " 2'"'' >-

возмущающие силы.

В данном случае наибольшие трудности возникают при определении

осевой податливости различных элементов упругой системы.

Помимо этого при классическом методе расчета продольных

колебаний не учитывается влияние трения материала вала, что в свою

очередь приводит к значительным погрешностям при расчёте частот и

амплитуд продольных колебаний.

Операционный метод расчета продольных колебаний позволяет

учитывать ненулевые начальные условия и влияние сопротивления

материала вала.

Наиболее эффективным, является исследование продольных колебаний с позиции теории упругих сред, при котором отсутствует необходимость дискретизации аналитической модели, а вал рассматривается

как цилиндрический стержень с распределёнными упруго-массовыми параметрами.

При таком рассмотрении продольных колебаний можно получить взаимосвязь между динамическими перемещениями и силами, вызвавшими эти перемещения, что в свою очередь позволяет использовать для измерения продольных колебаний датчики механических напряжений.

Вторая глава посвящена анализу датчиков и систем измерения осевого усилия и продольных колебаний валов СЭУ.

Для измерения механических усилий во вращающихся валах наибольшее распространение получили тензорезисторные преобразователи, применение, которых связано с существенными недостатками: необходимостью приклеивания тензорезисторов к поверхности вала и наличию токосъемных колец.

Бесконтактные датчики с тензорезисторными преобразователями отличаются сложностью и наличием электронных элементов расположенных на вращающемся валу. Такие системы обладают низкой ремонтопригодностью, так как заменить вышедший из строя тензорезистор в судовых условиях не представляется возможным. Так же опыт эксплуатации тензорезисторных преобразователей на судах показал, что через три года эксплуатации примерно 40% из них выходит из строя.

Для измерения продольных колебаний валопроводов наибольшее распространение получили системы, основанные на индуктивных и волоконно-оптических преобразователях.

Системы с индуктивными преобразователями в свою очередь имеют низкую помехоустойчивость, обусловленную чувствительностью к вибрации и изменениям температуры.

Использование волоконно-оптических преобразователей в судовых условиях затруднено ввиду сильной чувствительности к влиянию паров масла и топлива.

Опыт эксплуатации ТМУП в системах измерения крутящего момента и крутильных колебаний, доказал их надежность и эффективность, обусловленную простотой, малой инерционностью, стабильностью характеристик и бесконтактным методом съема сигнала.

Таким образом, трансформаторные магнитоупругие преобразователи являются наиболее перспективными для систем измерения упора гребного винта и продольных колебаний.

Третья глава посвящена разработке системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ.

В качестве первичного преобразователя предлагается использовать трансформаторный магнитоупругий преобразователь осевого усилия. Конструкция ТМУП осевого усилия представлена на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция ТМУП осевого усилия. Выражение для ЭДС трансформаторного магнитоупругого преобразователя имеет следующий вид:

ФЯ1ГШ \iyti) [Асов2 а + эт2 а - (Л-1) сова-эта]2 + Л

2 лЯ,

- 1п

А, [Асов2 а + а + (Л- 1)со8а• вта]* + Л

(2)

где: 1Уи - число витков измерительной обмотки;

^ - угловая частота сети;

суммарное магнитное сопротивление измерительного магнитопровода и воздушного зазора под полюсами измерительной обмотки;

У

' - электрическая проводимость материала вала; Их .

и и.

у, " - значения магнитных проницасмостсй материала вала вдоль действия главных

нормальных напряжении;

МХИУ

- эквивалентное значение магнитной проницаемости; ; - мнимая единица;

ГУ X У

- угол между координатными осями 1' 1, связанными с магнитопроводом

X У

преобразователя, и главными осями анизотропии , совпадающими с направлением главных нормальных напряжений;

Ф

т - амплитудное значение магнитного потока, втекающего в контролируемый участок вала через полюса обмотки возбуждения.

Анализ выражения (2) показывает, что приведённая зависимость изменяется по периодическому закону в функции угла и имеет

экстремальные значения при: где: п = 0,1,2,3.....

л , л а=—±п— 4 2

При а = ЭДС преобразователя имеет максимальное значение и

равна:

е = -

(3)

2лЯ„

Таким образом, для использования рассмотренного МУП в качестве датчика упора его магнитопровод необходимо расположить около вала в соответствии с рис. 2.

На рис. 2. показаны проекции полюсов магнитопровода преобразователя на поверхность вала.

Рис. 2. Проекции полюсов магнитопровода ТМУП осевого усилия на поверхность вала.

А,В - проекции полюсов обмотки возбуждения; С,Д - проекции полюсов измерительной обмотки.

Передаточная функция трансформаторного магнитоупругого преобразователя соответствует иррациональному динамическому звену с постоянной времени, изменяющейся обратно пропорционально частоте питающей сети и имеет следующий вид:

е(р) _ ¡17 1 _ К

Щр)--

Ни VР + м ф + рТ

к = -

где:

^шНн

- коэффициент передачи динамического звена;

т = —

°> - постоянная времени динамического звена. е(р) - изображение по Лапласу ЭДС трансформаторного магнитоупругого преобразователя; б (р) - изображение по Лапласу механического напряжения; р - оператор преобразования Лапласа; 5 - площадь поперечного сечения вала; Я'и - число витков измерительной обмотки; ® - угловая частота сети;

- суммарное магнитное сопротивление измерительного магнитопровода и воздушного зазора под полюсами измерительной обмотки;

У

' - электрическая проводимость материала вала; I - мнимая единица;

Ф

/и

- амплитудное значение магнитного потока, втекающего в контролируемый участок вала через полюса обмотки возбуждения.

Сравнение кривых протекания механических процессов в линии валопровода с протеканием электромагнитных процессов в преобразователе, показывают, что время протекания механических процессов значительно больше времени протекания электромагнитных процессов.

Следовательно, выбранные магнитоупругие преобразователи позволяют регистрировать как статические, так и динамические нагрузки, вызываемые действием упора и продольных колебаний.

Так же в третей главе диссертации аналитическим и расчетным методами доказано отсутствие влияния крутящего момента на выходной сигнал ТМУП осевого усилия.

Магнитная неоднородность материала вала оказывает сильное влияние на выходной сигнал ТМУП. Она приводит к появлению модулирующей (мультипликативной) помехи, которая вызывает искажение полезного сигнала.

Для устранения вредного влияния магнитной неоднородности материала вала разработан линейно-кольцевой магнитоупругий датчик осевого усилия (см. рис. 3).

Линейно-кольцевой магнитоупругий датчик состоит из секций, симметрично расположенных вокруг вала, каждая секция в свою очередь состоит из / ТМУП, установленных вдоль лини вала и включенных последовательно, при этом уровень помеховой составляющей уменьшается

в ^^ раз, где N- общее число ТМУП в датчике.

ТМУП 1

ТМУП2

Л—Ц

ТМУПЗ

ТМУП 4

Рис. 3. Установка ТМУП в линейно-кольцевом магнитоупругом датчике осевого

усилия.

Так же для устранения вредного влияния магнитной неоднородности материала вала разработан комплексный магнитоупругий датчик, в основе которого используется кворум-элемент, реализующий алгоритм выделения медианы. На рис. 4., 5. представлены обобщенная и принципиальная схемы кворум-элемента.

Рис. 4. Обобщенная схема кворум-элемента. В комплексном магнитоупругом датчике происходит одновременное измерение осевого усилия несколькими ТМУП. Сигналы с ТМУП поступают на вход кворум-элемента. На рис. 6. показана работа кворум-

элемента где: _У] (/), у2 (/ ), (/) - выходные сигналы ТМУП; пунктирной линией показан выходной сигнал с кворум-элемента - _у(2) (/).

Использование кворум-элемента позволяет повысить как точность, так и надежность измерения.

Рис. 5. Принципиальная схема кворум-элемента.

На рис. 7 показана функциональная схема разработанной системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний СЭУ.

Система аналоговой обработки выходных сигналов состоит из двух каналов обработки, объединенных в комплексное измерительное устройство при помощи кворум-элемента. Сигнал среднего значения силы упора регистрируется при помощи измерительного прибора, подключенного к

блоку аналоговой обработки сигнала, а сигнал переменной составляющей упора поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и далее в микропроцессорный контроллер, преобразующий осевые усилия в динамические перемещения.

Рис. 7. Функциональная схема системы измерения упора гребного винта и продольных колебаний пропульсивных установок: ТМУП - трансформаторный магнитоупругий преобразователь; ДУ -дифференциальный усилитель; СУ - суммирующий усилитель; ПУ - пороговое устройство; ФНЧ - фильтр нижних частот; ФВЧ - фильтр верхних частот; ФВ -фазовращатель; БК - бесконтактный ключ; КЭ - кворум элемент; НУ -нормирующий усилитель; ИП - измерительный прибор; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; МПК - микропроцессорный контроллер.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и натурных испытаний разработанной системы измерения.

Экспериментальные исследования статических характеристик ТМУП осевого усилия проводились в лаборатории «Элементы и функциональные устройства судовой автоматики» ФГОУ ВПО «ГМА им. адм. С.О.Макарова».

На рис. 8 представлена экспериментальная установка, которая включает в себя:

- устройство для испытания на растяжение с встроенным индикатором растягивающего усилия;

- образец, выполненный из электротехнической стали с заданными размерами (150x150x1.5 мм);

- трансформаторный магнитоупругий преобразователь осевого усилия, установленный с зазором по отношению к образцу;

- блок аналоговой обработки выходного сигнала;

- цифровой осциллограф РУ6501;

- персональный компьютер.

Устройство стенда позволяет нагружать образец с максимальным усилием до 2000 Н. Таким образом при заданных размерах образца (150x150x1.5 мм) можно получить максимальное напряжение растяжения

равное: = £ =-2000- 9МПа

5 1.5 • 10 х 150-10 где: о - механическое напряжение, МПа; У7 - сила растяжения, Н;

2

Я - площадь поперечного сечения образца, м .

Рис. 8. Экспериментальная установка для исследования статических характеристик ТМУП осевого усилия.

Результаты эксперимента сведены в таблицу 1. На рис. 9 представлена характеристика изменения выходного сигнала ТМУП осевого усилия.

Таблица 1.

Результаты экспериментальных исследований ТМУП осевого усилия

г, н 25 50 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210

а, МПа 0,11 0,22 0,44 0,48 0,53 0,57 0,62 0,66 0,71 0,75 0,80 0,84 0.88 0,93

и вых. В 0,52 1,08 1,90 2,00 2.20 2,40 2.61 2,84 3.13 3.40 3,61 3,81 3,90 4,10

Статическая характеристика ТМУП осевого усилия

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Механическое напряжение растяжения, МТа

Рис. 9. Статическая характеристика ТМУП осевого усилия.

Полученные экспериментальные данные показывают, что выходной сигнал ТМУП осевого усилия изменяется линейно в зависимости от механических напряжений растяжения.

Для экспериментального исследования влияния крутящего момента на выходной сигнал ТМУП осевого усилия использовалась экспериментальная установка, представленная на рис. 10, состоящая из:

- торсионного вала, в котором создаются напряжения кручения;

- ТМУП осевого усилия, установленный с зазором по отношению к валу;

- блока аналоговой обработки выходного сигнала ТМУП;

- цифрового осциллографа РУ6501;

- персонального компьютера. Лабораторный стенд позволяет создавать механические напряжения кручения до 5000 Н. Таким образом можно получить максимальное напряжение кручения:

Рис. 10. Экспериментальная установка для исследования влияния крутящего момента на выходной сигнал ТМУП осевого усилия.

Результаты эксперимента сведены в таблицу 2.

Таблица 2 .

Зависимость выходного сигнала ТМУП осевого усилия от крутящего момента.

F, Н 100 200 400 600 800 1000 1200 1500 2000 3000 4000 5000

а, МПа 0,003 0,007 0.014 0,021 0,028 0,035 0,042 0,053 0,07 0,106 0,141 0,176

Ивых, В 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Исследования показали, что крутящий момент не оказывает влияния на выходной сигнал ТМУП осевого усилия.

Натурные испытания системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний СЭУ были проведены на танкере-химовозе, дизель - электроходе "Stolt Stream".

Первоначально производились испытания системы с одним ТМУП.

На рис. 11 представлена осциллограмма, полученная при вращении гребного вала и нулевом упоре гребного винта (Р=0). Как видно из данной осциллограммы выходной сигнал системы измерения с одним ТМУП, содержит значительные выбросы, обусловленные влиянием магнитной неоднородности материала вала.

В случае применения линейно-кольцевого комплексного магнитоупругого датчика при нулевом упоре гребного винта выбросы отсутствуют (см. рис. 12.).

На рис. 13. представлена осциллограмма записи выходного сигнала системы измерения при работе судна на волнении.

Шых, 1 В/дел

©Г

1 „ »., 11 , „ ,1 1 1....... 1 , м „1,1, .....4

,11|| ' "Г ' ■ |а V Г [ '

...............

О

сек/дел

Рис. 11. Осциллограмма записи выходного сигнала системы измерения с одним ТМУП и Р=0.

Шых1 В/дел

........

-<Э

1 сек/дел

Рис.12. Осциллограмма записи выходного сигнала системы измерения с линейно-кольцевым комплексным магнитоупругим датчиком при Р=0. Проведенные лабораторные исследования доказывают линейность статической характеристики ТМУП и отсутствие влияния крутящего момента на выходной сигнал датчика упора.

-'¡и /

<3

10 сек/дел

Рис. 13. Осциллограмма записи выходного сигнала системы измерения при работе судна на волнении.

Полученные при судовых испытаниях системы автоматического упора и продольных колебаний СЭУ осциллограммы, доказывают значительное уменьшение влияния магнитной неоднородности материала вала в линейно-кольцевом комплексном магнитоупругом датчике, а так же подтверждают работоспособность системы в судовых условиях эксплуатации.

Результаты и выводы:

1. Разработана методика расчета продольных колебаний, в которой гребной вал рассматривается как упругая механическая система с распределенными упруго-массовыми параметрами.

2. Проведенные в работе исследования показали отсутствие влияния крутящего момента на выходной сигнал магнитоупругого датчика упора и продольных колебаний.

3. Разработаны линейно-кольцевой и комплексный магнитоупругие датчики.

4. Разработаны функциональная и принципиальная схемы системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов судовых энергетических установок.

5. Экспериментально подтверждена линейная зависимость выходного сигнала ТМУП осевого усилия валов СЭУ.

6. Экспериментальные исследования показали значительное уменьшение влияния магнитной неоднородности материала вала в линейно-кольцевом и комплексном магнитоупругих датчиках.

В работе получены совокупность теоретических и практических результатов, которые вносят существенный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области создания систем автоматического

измерения основных параметров колебаний валов СЭУ и следовательно, разработки новых систем автоматического управления судовыми энергетическими установками, обеспечивающих безопасность мореплавания судов.

Основные результаты опубликованы в следующих изданиях: В изданиях по перечню ВАК РФ.

1. Жадобин, Н. Е. Комплексирование при измерении магнитоупругими

преобразователями механических напряжений вращающихся валов / Н.Е. Жадобин, А.И. Лебедев // Датчики и системы. - 2008. - № 2. - С. 13-17.

2. Жадобин, Н. Е. Линейно - кольцевой магнитоупругий датчик упора и

продольных колебаний валопроводов / Н.Е. Жадобин, А.И. Лебедев // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2008. № 4. - С. 6 - 14. В других изданиях.

3. Жадобин, Н. Е. Измерение продольных колебаний магнитоупругими

преобразователями / Н.Е. Жадобин, А.И. Лебедев // Электросистемы. -2005. -№ 1.-С. 16- 18.

4. Жадобин, Н. Е. Магнитоупругие преобразователи в СЭУ / Н.Е. Жадобин,

А.И. Лебедев // Транспорт Российской Федерации. - 2006. - № 6. - С. 36-38.

5. Жадобин, Н. Е. Применение методов комплексирования для измерения

продольных колебаний валопроводов / Н.Е. Жадобин, А.И. Лебедев// Эксплуатация морского транспорта. - 2007. № 1 (47). С. 39 - 42.

6. Жадобин, Н.Е. Автоматические системы измерения и контроля

механических напряжений от крутильных и продольных колебаний с магнитоупругими преобразователями / Н.Е. Жадобин, А.И. Лебедев // Материалы конференции. Восьмая сессия международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» Институт проблем машиноведения РАН. - СПб.: 2007. - С. 56 - 58.

7. Жадобин, Н.Е. Датчики продольных колебаний и осевых усилий в

валопроводах судовых энергетических установок / Н.Е. Жадобин, В.Б. Мачульский, В.Б. Викулин, А.И. Лебедев //Научно-технический сборник Российского морского Регистра судоходства № 30 - СПб.: -2007.-С. 221 -234.

8. Жадобин, Н.Е. Магнитоупругие преобразователи в судовых

энергетических установках / Н.Е. Жадобин, А.И. Лебедев // Материалы Российской конф. с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения

УКИ'08». Институт проблем управления им. Трапезникова РАН.- М.: 2008.-С. 213-214.

9. Жадобин, Н.Е. Магнитоупругие преобразователи в СЭУ / Н.Е. Жадобин,

А.П. Крылов, А.И. Лебедев // Материалы второй международной научно-практической конференции «Измерения в современном мире -2009». - СПб.: 2009. - С. 18 - 25.

10. Лебедев, А.И. Трансформаторные магнитоупругие преобразователи в датчиках упора гребных валов / А.И. Лебедев // Тез. докл. научно-технической конф. профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и курсантов ГМА им. адм. С.О.Макарова. - СПб.: 2003. -С. 84-85.

11. Лебедев, А.И. Применение методов комплексирования при измерении продольных колебаний валопроводов / А.И. Лебедев // Тез. докл. научно-технической конф. профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и курсантов ГМА им. адм. С.О.Макарова. -СПб.: 2006. - С. 133- 134.

12. Лебедев, А.И. Измерение продольных колебаний гребных валов магнитоупругими преобразователями / А.И. Лебедев // Эксплуатация морского транспорта. - 2007. № 4 (50). - С. 67 - 70.

13. Лебедев, А.И. Линейно-кольцевой магнитоупругий датчик упора и продольных колебаний валопроводов / А.И. Лебедев // Тез. докл. научно-технической конф. профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и курсантов ГМА им. адм. С.О.Макарова. -СПб.: 2007.-С. 112-114.

14. Лебедев, А.И. Бесконтактное измерение упора гребного винта. / А.И. Лебедев // Тез. докл. конф. профессорско-преподавательского состава государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования. - СПб.: 2007. - С. 185 - 187.

15. Лебедев, А.И. Влияние продольных колебаний валопроводов на работу пропульсивных установок / А.И. Лебедев // Тез. докл. конф. профессорско-преподавательского состава государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования. - СПб.: 2007. - С. 185 - 187.

16. Лебедев, А.И. Современные материалы в трансформаторных магнитоупругих преобразователях / А.И. Лебедев, A.B. Богомолов // Материалы международной научно-технической конференции «Наука и образование». - МГТУ. Мурманск.: - 2009. - С. 1162-1165.

17. Лебедев, А.И. Влияние продольных колебаний на работу дизель-генераторных установок / А.И. Лебедев, A.C. Лопатин // Материалы международной научно-технической конференции «Наука и образование». - МГТУ. Мурманск.: - 2009. - С. 1166-1168.

18. Лебедев, А.И. Универсальный магнитоупругий датчик крутящего момента, осевого усилия, крутильных и продольных колебаний судовых валопроводов. / А.И. Лебедев // Материалы второй международной научно-практической конференции «Измерения в современном мире - 2009». - СПб.: 2009. - С. 32 - 37.

19. Лебедев, А.И. Магнитоупругий датчик частоты вращения, крутящего момента, осевого усилия и мощности на вращающихся валах. / А.И. Лебедев // Материалы X Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы. - ЮРГТУ. Новочеркасск. - 2010. -С. 20 - 26.

20. Пат. № 2326355 Российская Федерация, МПК С2 G01L 1/12. Устройство для измерения крутящего момента на вращающихся валах / Жадобин Н.Е., Крылов А.П., Лебедев А.И. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Государственная Морская Академия им. адм. С.О.Макарова. - № 2006116740/28 ; заявл. 15.05.2006 ; опубл.

10.06.2008, Бюл. № 16. -4 с.: ил.

21. Пат. № 2343088 Российская Федерация, МПК С2 В63Н 21/22, G08C 25/00. Устройство управления судовой энергетической дизельной установкой / Жадобин Н.Е., Крылов А.П., Лебедев А.И. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Государственная Морская Академия им. адм. С.О.Макарова. - № 2006116742/11 ; заявл. 15.05.2006 ; опубл.

10.01.2009, Бюл. № 1. - 5 с. : ил.

22. Пат. № 2354942 Российская Федерация, МПК G01L 5/12. Устройство для измерения осевого усилия во вращающихся валах / Н.Е. Жадобин, А.П. Крылов, А.И. Лебедев, А.Г. Труштин. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Государственная Морская Академия им. адм. С.О.Макарова. - № 2007135035/28 ; заявл. 20.09.2007 ; опубл. 10.05.2009. Бюл. 13.;

23. Пат. 2354941 Российская Федерация, МПК G01L1 5/12. Устройство для измерения осевого усилия и частоты вращения во вращающихся валах / Н.Е. Жадобин, А.П. Крылов, А.И. Лебедев, А.Г. Труштин. заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Государственная Морская Академия им. адм. С.О.Макарова. - № 2007135036/28 ; заявл. 20.09.2007 ; опубл. 10.05.2009. Бюл. 13.;

24. Пат. 2380667 Российская Федерация, МПК G01L 3/10. Устройство для измерения крутящего момента и осевого усилия во вращающихся валах / А.И. Лебедев. Заявитель и патентообладатель Лебедев А.И. - № 2008142332/28 ; заявл. 24.10.2008 ; опубл. 27.10.2010 Бюл. 3.;

ГМА им. адм. С.О. Макарова Заказ № 318 от 08.11.2010. Усл. печ. л. Тираж 100 экз. Формат 60x84/16

ВВЕДЕНИЕ---------------------------------------------------------------------------- 5.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ГРЕБНОЙ ВИНТ. АНАЛИЗ ОСЕВЫХ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ УСИЛИЙ И ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОВ СЭУ.

1.1. Гидродинамические нагрузки на гребной винт

1.2. Продольные'колебания валов судовых энергетических установок—

1.3. Анализ характерных повреждений элементов СЭУ, вызванных влиянием продольных колебаний валов

1.4. Силы вызывающие продольные колебания

1.4.1. Осевые усилия, возникающие со стороны двигателя

1.4.2. Осевые усилия, возникающие со стороны гребного-винта

1.4.3. Осевые усилия, возникающие от переменного упора гребного винта, вследствие влияния морского волнения

1.5 Методы аналитического исследования продольных колебаний валов судовых энергетических установок

1.5.1 Классический метод расчёта продольных колебаний.

1.5.2 Операционный метод расчета продольных колебаний

1.5.3 Исследование продольных колебаний с позиции теории упругих сред-------------------------------------------------------------7

1.5.4 Моделирование продольных колебаний

ВЫВОДЫ ПО 1 ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ДАТЧИКОВ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ.

2.1. Датчики механических напряжений валов судовых энергетических установок

2.1.1. Тензорезисторные преобразователи

2.1.2. Магнитоупругие преобразователи

2.2. Датчики продольных колебаний линии валопровода

2.2.1. Датчики с разветвлёнными магнитными цепями рабочей и компенсационной частей—

2.2.2. Датчик с разделенными магнитными цепями рабочей и компенсационной частей

2.2.3. Датчики с общей магнитной цепью рабочей и компенсационной и компенсационной частей

2.2.4. Акустические преобразователи линейных перемещений

2.2.5. Волоконно-оптический датчик линейных перемещений

2.3. Системы измерения продольных колебаний и осевых усилий линии валопровода

2.3.1. Система продольных колебаний AVM-KM30-13

2.3.2. Система измерения линейных перемещений

2.3.3. Система измерения крутящего момента, упора, частоты вращения и мощности на гребном валу Kyama Shaft Power Meter (КРМ)---:

ВЫВОДЫ ПО 2 ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКО ИЗМЕРЕНИЯ

УПОРА ГРЕБНОГО ВИНТА И ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОВ СЭУ.

3.1. Принцип действия магнитоупругого датчика упора и продольных колебаний

3.2. Динамические характеристики ТМУП осевых усилий.

3.3. Устройство и конструкция магнитоупругого преобразователя упора и продольных колебаний

3.4. Влияние крутящего м<эмента на выходной сигнал ТМУП осевых усилий --------------------------------------------------------------------------------------------ЮЗ

3.5. Линейно-кольцевой магнитоупругий датчик упора и продольных колебаний

3.6. Комплексный магнитоупругий датчик упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ

3.7. Функциональная и принципиальная схемы системы измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ

ВЫВОДЫ ПО 3 ГЛАВЕ

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ УПОРА ГРЕБНОГО ВИНТА И ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОВ СЭУ.

1.1 Экспериментальное исследование статических характеристик

ТМУП осевого усилия

4.1.2. Экспериментальное исследование влияния крутящего момента на выходной сигнал ТМУП осевого усилия.

4.1.3. Натурные испытания системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ

ВЫВОДЫ ПО 4 ГЛАВЕ

При вращении гребного винта развивается упор, - сила, под действием которой осуществляется движение судна[43]. Однако управление судовой энергетической установкой (СЭУ) осуществляется в основном при помощи таких величин как: п1} - частота вращения двигателя и гребного винта; Мкр -крутящий момент; Р — мощность двигательной установки. При этом упор гребного винта определяется косвенным путем при помощи винтовых характеристик.

Пульсации упора гребного винта приводят к возникновению продольных колебаний. В ряде случаев продольные колебания приводят к серьезным поломкам элементов СЭУ.

Систематические исследования продольных колебаний начались в 40-ые годы двадцатого века. Однако в виду отсутствия надёжных систем измерения упора и продольных колебаний их исследования проводились крайне редко. В основном для измерения упора гребного винта и продольных колебаний использовались тензорезисторные или индуктивные преобразователи.

В настоящее время проблеме контроля продольных колебаний уделяется все большее внимание. Таким образом, в требованиях ряда классификационных обществ имеются разделы, посвященные расчёту и измерениям продольных колебаний судовых валопроводов. Надо сказать, что Российским Морским Регистром Судоходства (РМРС) также ведутся работы по разработке требований относительно продольных колебаний. Помимо этого в настоящих требованиях РМРС указано, что современные системы дистанционного автоматизированного управления (ДАУ) должны обеспечивать изменение знака и величины упора гребного винта [69], аналогичные требования предъявляются и для подруливающих устройств систем динамического позиционирования.

В международной конвенции СОЛАС глава 5, правило 19, имеются требования к оснащению судов навигационными системами и оборудованием, согласно которых все суда, построенные после 1 июля 2002 г. и валовой вместимостью 500 и более р.т., должны иметь индикаторы усилия и направления упора гребного винта и если возможно усилия и направления упора подруливающего устройства [44].

Таким образом, появляется необходимость измерения, упора гребного винта, однако в настоящее время такие измерения производятся весьма редко. Прежде всего, это связано с тем, что необходимо измерять механические напряжения, вызванные влиянием упора гребного винта при его вращении. Так как гребные валы обладают значительным- запасом прочности, то их упругие деформации, особенно в продольном направлении, ничтожны, что затрудняет преобразование этих деформаций в электрический сигнал.

В результате этого задача надёжного измерения, упора гребного- винта и продольных колебаний до настоящего времени не имеет удовлетворительного технического решения.

На основании вышеизложенного была определена необходимость разработки системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1) Исследование гидродинамических нагрузок на гребной1 винт и определение причин возникновения продольных колебаний валов СЭУ.

2) Анализ методов аналитического исследования продольных колебаний.

3) Сравнительный * анализ датчиков И' систем измерения упора и продольных колебаний.

4) Определение статических и динамических характеристик трансформаторного магнитоупругого преобразователя (ТМУЦи осевого усилия.

5) Разработка магнитоупругого датчика с малой чувствительностью к магнитной неоднородности материала'вала.

6) Разработка функциональной' и принципиальной* схемы системы измерения>упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ.

7) Проведение экспериментальных исследований системы измерения упора и продольных колебаний.

Для решения поставленных задач использовались методы исследования, основанные на теории электромагнитного поля, теории вероятности и математической статистики, теории механических колебаний и теории упругих сред с распределенными параметрами, а так же методах математического моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории «Элементы и функциональные устройства судовой автоматики» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственная морская академия имени адмирала С.О.Макарова». Натурные испытания системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний были проведены на танкере-химовозе, дизель-электроходе "Stolt Stream".

Научная новизна диссертационной работы.

Научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Предложена методика расчета продольных колебаний, в которой вал рассматривается как упругая механическая система с распределенными упруго-массовыми параметрами.

2. Аналитическим, расчетным и экспериментальным методами доказано отсутствие влияния крутящего момента на выходной сигнал магнитоупругого датчика упора.

3. Результаты экспериментальных исследований позволили установить: линейную зависимость выходного сигнала трансформаторного магнитоупругого преобразователя; отсутствие влияния крутящего момента на выходной сигнал ТМУП осевого усилия;

- значительное уменьшение влияния магнитной неоднородности материала вала в линейно-кольцевом и комплексном магнитоупругих датчиках.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Разработаны линейно-кольцевой и комплексный магнитоупругие датчики осевого усилия, которые позволяют значительно снизить влияние магнитной неоднородности материала вала;

2. Разработана система автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ на основе ТМУП осевого усилия

Внедрение данной системы позволит предотвратить работу СЭУ в режиме сильно развитых продольных колебаний и, как следствие, поможет предотвратить преждевременные поломки их элементов.

Достоверность полученных теоретических результатов и выводов базируется на использовании фундаментальных законов и положений теорий: электромагнитного поля, вероятности и математической статистики, механических колебаний и теории упругих сред с распределенными параметрами, а так же удовлетворительным совпадением результатов расчетов с данными, полученными при лабораторных и натурных испытаниях.

Достоверность результатов экспериментов» обеспечена использованием современных средств измерения и регистрации, и необходимым уровнем воспроизводимости, повторяемости результатов измерения.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы < докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского ; состава, научных сотрудников и курсантов ФГОУ ВПО

Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова 2003-2009 гг. г. Санкт-Петербург.

2. Конференции профессорско-преподавательского состава государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования г. Санкт -Петербурга, 2007 г.

3. Восьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» Учреждение Российской академии наук Институт проблем машиноведения РАН, 2007 г., г. Санкт-Петербург.

4. Секции электротехники и автоматизации научно-технического совета Федерального государственного учреждения Российский Морской Регистр Судоходства, 2008 г. г. Санкт-Петербург.

5. Российской конференции с международным участием «Технические и программные средства управления, контроля и измерения» Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2008. г. Москва.

6. Второй международной научно-практической конференции «Измерения в современном мире — 2009». Российская метрологическая академия, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2009 г. Санкт- Петербург.

7. Международной научно-технической конференции «Наука и образование - 2009». Мурманский государственный технический университет, 2009 г. Мурманск.

8. X Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные электромеханические' устройства, „системы и комплексы». Южно-Российский Государственный технический университет. 2010 г. Новочеркасск.

Аннотация работы по главам.

В первой главе диссертационной работы приведен обзор гидродинамических нагрузок на гребной винт и анализ сил вызывающих продольные колебания валов СЭУ. Выполнен анализ характерных повреждений элементов СЭУ, вызванных влиянием продольных колебаний, валов. Проведен анализ методов аналитического исследования продольных колебаний, на основании, которого предлагается рассматривать вал с позиции теории упругих сред.

Вторая глава посвящена датчикам и системам измерения осевого усилия и продольных колебаний валов СЭУ. В результате выполненного анализа датчиков и систем измерения осевого усилия и продольных колебаний для измерения упора гребного винта и продольных колебаний в качестве первичного преобразователя предлагается использовать трансформаторный магнитоупругий преобразователь.

Третья глава посвящена вопросам разработки системы измерения упора гребного винта и продольных колебаний на основе использования ТМУП. Для уменьшения вредного влияния магнитной неоднородности материала вала предложено использование линейно-кольцевого и комплексного магнитоупругого датчиков.

В четвертой главе приведены данные экспериментальных и натурных исследований системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика расчета продольных колебаний, при которой вал рассматривается с позиции теории упругих сред с распределенными упруго-массовыми параметрами. ,

2. Результаты теоретического исследования влияния крутящего момента на выходной сигнал магнитоупругого датчика упора гребного винта.

3. Система автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ. 1

4. Результаты экспериментальных исследований системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов СЭУ.

Во время работы над диссертацией коллективом авторов: Жадобин Н.Е.,

Крылов А.П., Лебедев А.И. и Труштин А.Г. были разработаны и защищены патентами на изобретения, следующие новые устройства:

1. Пат. № 2326355 Российская Федерация, МПК С2 001Ъ 1/12.

Устройство для измерения крутящего момента на вращающихся валах / Жадобин Н.Е., Крылов А.П., Лебедев А.И.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Государственная Морская Академия им. адм. С.О.Макарова. - № 2006116740/28 ; заявл. 15.05.2006 ; .опубл. 10.06.2008, Бюл. № 16. - 4 с. : ил.

2. Пат. № 2343088 Российская Федерация, МПК С2 В63Н 21/22, в08С 25/00. Устройство управления судовой энергетической дизельной установкой / Жадобин Н.Е., Крылов А.П.*, Лебедев А.И. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Государственная Морская Академия им. адм. С.О.Макарова. - № 2006116742/11 ; заявл. 15.05.2006 ; опубл. 10.01.2009, Бюл. № 1. - 5 с. : ил.

3. Пат. № 2354942 Российская Федерация, МПК 001Ъ 5/12. Устройство для измерения осевого усилия во вращающихся валах / Н.Е. Жадобин, А.П. Крылов, А.И. Лебедев, А.Г. Труштин.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Государственная Морская Академия им. адм. С.О.Макарова. - № 2007135035/28 ; заявл. 20.09.2007 ; опубл. 10.05.2009. Бюл. 13.;

5. Пат. 2354941 Российская Федерация, МПК вОНЛ 5/12. Устройство для измерения осевого усилия и частоты вращения во вращающихся валах / Н.Е. Жадобин, А.П. Крылов, А.И. Лебедев, А.Г. Труштин. заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Государственная Морская Академия им. адм. С.О.Макарова. - № 2007135036/28 ; заявл. 20.09.2007 ; опубл. 10.05.2009. Бюл. 13.; Идея разработки перечисленных выше устройств принадлежит д.т.н., профессору Жадобину Н.Е., автору диссертации принадлежит разработка функциональных схем перечисленных выше устройств.

Помимо этого автором диссертации разработано и защищено патентом на изобретение новое устройство:

Пат. 2380667 Российская Федерация, МПК 001Ь 3/10. Устройство для измерения крутящего момента и осевого усилия во вращающихся валах / А.И. Лебедев. Заявитель и патентообладатель Лебедев А.И. - № 2008142332/28 ; заявл. 24.10.2008 ; опубл. 27.10.2010 Бюл. 3.; при разработке, которого автор диссертации использовал свои идеи й разработками полученными им единолично.

Данные устройства позволили разработать систему автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний судовых энергетических установок на основе трансформаторных магнитоупругих преобразователей осевого усилия, обладающей бесконтактным методом съема сигнала, высокой помехоустойчивостью, надежностью и малой инерционностью.

ВЫВОДЫ ПО 4 ГЛАВЕ.

1. Проведенные лабораторные исследования доказывают линейность статической характеристики ТМУП и отсутствие влияния крутящего момента на выходной сигнал датчика упора.

2. ' При определении статических характеристик ТМУП сходимость расчетных и экспериментальных данных составила 92%, при определении влияния крутящего момента на выходной сигнал датчика упора - 99%.

3. Полученные при судовых испытаниях системы автоматического упора и продольных колебаний валов СЭУ осциллограммы, ^ доказывают значительное уменьшение влияния магнитной неоднородности материала вала в линейно-кольцевом комплексном магнитоупругом датчике, а так же подтверждают работоспособность системы в судовых условиях эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Разработана методика расчета продольных колебаний, в которой гребной вал рассматривается как упругая механическая система с распределенными упруго-массовыми параметрами.

2. Проведенные в работе исследования показали отсутствие влияния крутящего момента на выходной сигнал магнитоупругого датчика упора и продольных колебаний.

3. Разработаны линейно-кольцевой и комплексный магнитоупругие датчики. -4. Разработаны функциональная и принципиальная схемы системы автоматического измерения упора гребного винта и продольных колебаний валов судовых энергетических установок.

5. Экспериментально подтверждена линейная зависимость выходного сигнала ТМУП осевого усилия валов СЭУ. —

6. Экспериментальные исследования показали значительное уменьшение влияния магнитной неоднородности материала вала в линейно-кольцевом и комплексном магнитоупругих датчиках.

В работе получены совокупность теоретических и практических результатов, которые вносят существенный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области создания систем автоматического измерения основных параметров колебаний валов СЭУ и следовательно, разработки новых систем автоматического управления судовыми энергетическими установками, обеспечивающих безопасность мореплавания судов.

1. Аварии судовых механизмов. // По материалам Регистра Ллойда. ЛЦГЖБ. Пер. 006-111-446,1972.

2. Аладьев, В. MAPLE 6 Решение математических, статистических и инженерно-физических задач / В Аладьев, М Богдявичус. М.: Лаборатория Базовых знаний. 2001. - 824 с.

3. Алексеев, А.М, Некоторые вопросы продольной вибрации судовых валопроводов / A.M. Алексеев // Тр. ЦНИИ им, А.Н.Крылова. 1959.- Вып. 145.

4. Бабаков, И.М. Теория колебаний / И.М. Бабаков. М.: Наука, 1968. - 560 с

5. Баршай, Ю.С. Динамические нагрузки в главных электродвигателях ледокола «Киев» / Ю.С. Баршай, Е.Я. Горбунов // Труды. ЦНИИМФ, вып. 129. Л.: Транспорт. 1970.

6. Баршай, Ю.С. Исследование вибродинамических характеристик оборудования ледоколов типа «Капитан Сорокин» / Ю.С. Баршай, Е.Я. Горбунов, А.Ю. Антомошкин // Труды ЦНИИМФ, вып. 147. Л.: Транспорт, 1971.

7. Басалыгин, Г.М. Моделирование динамических режимов главного упорного подшипника при взаимодействии винта со льдом / Г.М. Басалыгин // Сб. научных трудов ЦНИИМФа. Судовые энергетические установки. — Л.: Транспорт, 1988. С. 66 - 73.

8. Басалыгин, Г.М. Моделирование динамических характеристик масляных зазоров упорного подшипника в составе упругоинерционной системы / Г.М.

9. Басалыгин, Б.М. Левин. // Сб. научных трудов ЦНИИМФа. Энергетические установки и оборудование морских судов. -М.: Транспорт, 1990. — С. 3 — 12.

10. Басалыгин, Г.М. Анализ динамических характеристик валопровода и главного упорного подшипника ледоколов типа «Арктика» / Г.М. Басалыгин, И.М. Каган // Судостроение. 1992. - № 11 - 12 - С. 15 - 19.

11. Басалыгин, Г.М. Снижение динамических нагрузок на главные упорные подшипники арктических ледоколов / Г.М. Басалыгин // Судостроение. — Г995. -№1.-С. 20-22.

12. Басалыгин, Г.М. Анализ влияния энергообмена в масляных зазорах ГУЛ на динамику валопровода ледокола. / Г.М. Басалыгин, И.О. Доможаков // Научно-технический сборник СПб.: Российский морской регистр судоходства, вып. 27, 2004.-338 с.

13. Бидерман, В.Л. Теория механических колебаний / В.Л. Бидерман — М.: Высшая школа, 1980. 408 с.

14. Браславский, Д.А. Точность измерительных устройств / Д.А. Браславский, В.В. Петров. М.: Машиностроение, 1976. 312 с.

15. Брук, М.А. Режимы работы судовых дизелей / М.А. Брук, A.A. Рихтер Л.: Судпромгиз, 1963.

16. Важдаев, К.В. Принципы построения акустических преобразователей линейных перемещений / К.В. Важдаев // Сборник докладов международной НТК. Датчики и системы. 2005.

17. Виноградов, Ю.А. Электронные системы для контроля малых перемещений / Ю.А. Виноградов М.: Машиностроение, 1976, 277 с.

18. Виноградов, Ю.А. Электронные измерительные системы для контроля малых перемещений / Ю.А. Виноградов, В.М. Манишистов, С.А. Розентул с М.: Машиностроение, 1976. 357 с.

19. Гаврилов, М.Н. Вибрация на судне / М.Н. Гаврилов М.: Транспорт, 1970.

20. Гаврилов, В.А. Система измерения линейных перемещений / В.А. Гаврилов, A.A. Трофимов // Датчики и системы. № 9. - 2005.

21. Гильбо, Е.П. Обработка сигналов на основе упорядоченного выбора / Е.П. Гильбо, И.Б. Челпанов — М.: Советское радио, 1975.

22. Гоноровский, И.С. Радиотехнические цепи и сигналы / И.С. Гоноровский, М.: Советское радио, 1977.1. N.

23. Горбунов, Е.Я. Расчеты продольных колебаний водопроводов силовых установок / Е.Я. Горбунов // Тр. ЦНЙИМФ,- 1970. Вып. 122. С. 12:8-144.

24. Горбунов, Е.Я. Исследование собственных частот продольных колебаний коленчатых валов и валопроводов дизельных силовых установок / Е.Я. Горбунов//Тр.ЦНИИМФ. 1971. - Вып. 143. - с. 103-109.

25. Горбунов, Е.Я. Допускаемые граничные параметры и предложения по ограничению продольных колебаний валов судовых» дизельных установок / Е.Я. Горбунов // Труды ЦНИИМФ, Л.: Транспорт, вып. 159. 1972.

26. Горбунов, Е.Я. Анализ развития повышенной осевой вибрации судовых валопроводов / Е.Я. Горбунов // Морской транспорт, серия ТЭФ. вып. 662. 1986.

27. Горбунов, Е.Я. Влияние продольных колебаний коленчатых валов на работу рамовых подшипников / Е.Я. Горбунов // Морской транспорт, серия ТЭФ. 1991г., вып. 20 (760).

28. Дьяконов, В.П. МАРЬЕ 9,5/10 в математике, физике и образовании / В.П. Дьяконов М.: СОЛОН-Пресс, 2006, 719 с.

29. Жадобин, Н.Е., Магнитоупругие преобразователи в судовой автоматике / Н.Е. Жадобин Л.: Судостроение, 1985, 92 с.31 .Жадобин Н.Е. Динамические характеристики магнитоупругих преобразователей / Н.Е. Жадобин М.: в/о мортехинформреклама, 1988,30 с.

30. Жадобин Н.Е. Элементы и функциональные устройства судовой автоматики / Н.Е. Жадобин, А.П. Крылов, В.А. Малышев СПб.: Элмор, 1988,438 с.

31. Жадобин, Н.Е. Измерение продольных колебаний магнитоупругими преобразователями / Н.Е. Жадобин, А.И. Лебедев // Электросистемы. 2005. № 1. С. 16-18.

32. Жадобин, Н.Е. Магнитоупругие преобразователи в СЭУ / Н.Е. Жадобин, А.И. Лебедев // Транспорт Российской Федерации 2006. - № 6. - С. 36 -38.

33. Жадобин, Н.Е. Применение методов комплексирования для- измерения продольных колебаний валопроводов / Н.Е. Жадобин, А.И. Лебедев // Эксплуатация морского транспорта. — 2007. № 1 (47). — С. 39 — 42.

34. Жадобин, Н.Е. Комплексирование при измерении магнитоупругими преобразователями механических напряжений вращающихся валов / Н.Е. Жадобин, А.И. Лебедев // Датчики и системы. 2008. - № 2. - С. 13 — 16.

35. Жадобин, Н.Е. Линейно-кольцевой магнитоупругий датчик упора и продольных колебаний валопроводов / Н.Е. Жадобин, А.И. Лебедев // Мехатроника, автоматизация, управление. 2008: -№ 4. - С. 6 - 8.

36. Иванов, Ю.П. Комплексирование информационно-измерительных устройств летательных аппаратов / Ю.П. Иванов, А.Н: Синяков, И.В. Филатов Л.: Машиностроение, 1984. 208 с.

37. Кацман, Ф.М. Теория судна и движители / Ф.М. Кацман, Д.В. Дорогостайский Л.: Судостроение, 1979. 279 с.

38. Консолидированный текст конвенции СОЛАС 74, СПб.: ЦНИИМФ, 2003, -48 с.

39. Корсунский, М.И. Применение индукционных датчиков для измерения перемещений при высоких температурах / М.И. Корсунский, A.C. Лагунов A.C. Байвель // Измерительная техника № 8, 1963. с. 16 - 19.

40. Коллокот, Р. Диагностика повреждений / Р. Коллокот М.: Мир, 1989, 180 с.

41. Лебедев, А.И. Измерение продольных колебаний гребных валов магнитоупругими преобразователями / А.И. Лебедев // Эксплуатация морского транспорта. — 2007. № 4 (50). - с. 67 - 69. '

42. Левинтов, С.Д. Принципы расчёта магнитоупругих силоизмерительных преобразователей приставного типа / С.Д. Левинтов // Сборник научных трудов. Вып. 223. 1979, 141 с.

43. Лиманова, И.И. Метод контроля вибрации и его практическое использование в автоматизированных системах / И;И. Лиманова // Датчики и системы. № 4, 2006.

44. Липис, В.Б. О колебаниях упора и вращающего момента гребного винта, при качке судна / В.Б. Липис // ЦНИИМФ, сборник трудов 1975, вып. 123.

45. Липис; В.Б.Гидродинамика гребного винта при качке судна / В.Б. Липис -Л:. Судостроение, 1975. ,55:Липис, В.Б. Безопасные режимьг штормового плавания* судов / В.Б. Липис, Ю.В. Ренз -М.: Транспорт, 1982.

46. Лисогурский, Ф.А. Продольные колебания коленчатых валов быстроходных двигателей / Ф.А: Лисогурский // Тр.ЦНИДИ. Вып. 6. Л.: Машиностроение, 1966.

47. Лисогурский, Ф;А. Исследование причин обрывов шпилек противовесов , коленчатых валов / Ф.А. Лисогурский //Тр.ЦНИДИ: — В^>ш. 8. Л.: Машиностроение, 1967.

48. Лисогурский, Ф.А. Расчёт собственных частот продольных колебаний коленчатых валов быстроходных дизелей / Ф.А. Лисогурский // Труды ЦНИДИ, вып. 53, Л.: Машиностроение, 1967

49. Матвеев, Н.М. Ряды. Высшая математика. Ч. 4 / Н.М. Матвеев М.: Высшая школа, 1974, 173 с.

50. Михайлов, B.C. Бесконтактное измерение упора гребного винта / B.C. Михайлов Судостроение. № 4, 1965.

51. Минович, И.Я. Влияние качки корабля на гидродинамические характеристики гребных винтов / И.Я. Минович // Судостроение, 1949, № 5.

52. Минович, И.Я.Определение периодических сил и моментов, возникающих на гребном винте / И.Я. Минович Л:. Судостроение, 1962 г., № 4.

53. Моек, Е. Техническая диагностика судовых машин и механизмов / Е. Моек, X. Штрихерт Л.: Судостроение, 1986.

54. Нетушил, A.B. Теория автоматического управления / A.B. Нетушил М.: Атомиздат, 1974. ^

55. Осевые колебания системы гребного вала // По материалам фирмы "Хитачи Цозен". ЛЦПКБ. Пер. 006-111-266, 1967.

56. Пановко, Я. Г. Основы теории колебаний и удара / Я.Г. Пановко Л.: Машиностроение, 1976. — 320 с.

57. Плотников, A.B. К вопросу о связанных крутильно-продольных колебаниях системы двигатель валопровод с упорным узлом - винт на теплоходах / A.B. Плотников//Судостроение и морские сооружения. 1967. - Вып. 5. С. 163-169.

58. Продольные колебания коленчатых валов двигателей больших мощностей // По материалам Бюро "Веритас", 1960, № 6., 31с.

59. Правила классификации и постройки морских судов :.СПб, Российский морской регистр судоходства. 2005.

60. Пугачев, B.C. Основы статической теории автоматических систем / B.C. Пугачев, И.Е. Казаков, Л.Г. Евланов М.: Машиностроение, 1974.

61. Ржепецкий, Н.Л. Дизель в судовом пропульсивном комплексе /^Н.Л. Ржепецкий, A.A. Рихтер — Л.: Судостроение, 1978.

62. Румб, В.К. Прочность судового оборудования. Ч. 1. Конструирование и расчёты .прочности судовых двигателей внутреннего сгорания: Учебник / В.К. Румб, В.В. Медведев СПб ГМТУ. - СПб., 2006. - 536 с.

63. Серединин, В.И. Измерительные устройства с высокотемпературными трансформаторными датчиками перемещений / В.И. Середин Л.: Энергия, 1986, - 81 с.

64. Скорчнев, Н.С. Исследование продольных колебаний валопроводов дизельных установок и их возбуждение крутильными / Н.С. Скорчнев // Автореферат к.т.н. ЛКИ, 1972 г.

65. Стоянов, B.C. Исследование осевой податливости коленчатых валов и анализ сил, возбуждающих продольные колебания валопроводов судовых дизельных установок: Автореф. дис. к.т.н. / B.C. Стоянов —^Ленинград, 1970 г.

66. Стрелков, С.П. Введение в теорию колебаний. Издание 2-е переработанное / С.П. Стрелков М:. Наука, 1964 г.

67. Терских, В.П. Крутильные колебания валопроводов силовых установок. Исследования и методы расчёта / В.П. Терских Л:. Судостроение, 1969.

68. Терских В.П. Метод цепных дробей в применении к исследованию колебаний механических систем, т. 1,2 / В.П. Терских Л.: Судпромгиз, 1955.

69. Энке, Е. Специальные функции / Е. Энке, Ф. Эмде, Ф. Лем М.: Наука, 1977.

70. Яблонский, A.A. Курс теории колебаний / A.A. Яблонский, С.С. Норейко М.: Высшая школа. 1975.

71. Яманин, А.И. Динамика поршневых двигателей / А.И. Яманин, A.B. Жаров М:. Машиностроение, 2003 г.

72. Anderson, A. Axial Vibrations and Measurements of Stresses of Crankshafts / A. Anderson, A. Olsson // International Ship Progress, 1963, Vol. 10, No 107, p. 235.

73. Archer, S. Analysis of Crankshafts vibrations / S. Archer // Transactions I.M.E., 1965, Vol.77,No3.

74. Bourcean, G. Some Aspects of the Behavior in Service of Crankshafts and their Bearings / G. Bourcean, Z. Woicik // International Ship Progress, 1968, Vol. 15, No 161.

75. Dorey, S. Strength of Marine Engine Shafting / S. Dorey // Transactions ME, 1939, No 55, p 203.

76. Gugiielmotti, A. Fiat Stablemen's Grand motor Techn / A. Gugiielmotti, R. Maciotta // Bullet, 1962, Vol. 12, p. 633.

77. Kauchman, A. Axial Shaft Vibration in. Large Turbine-powered Merchant Ships / A. Kauchman // Transactions I.M.E., 1965, Vol 77, No 3.

78. Kane, L. Longitudinal Vibration of Marine Propulsion Shafting System / L. Kane, R. Goldinck // The Society of Naval Architects and Marine Engineers, 1949, No 57, p. 193.

79. Kleiner, A. Axial Vibration of the Crankshaft and propeller Shafting of Motor of Ships / A. Kleiner // The Motor Ship, 1963. No 9.

80. Parsons, M. G. Mode coupling in Tensional and Longitudinal Shafting Vibrations / M. G. Parsons // Marine Technology, Vol. 20, № 3, 1983.

81. Rigby, C. Longitudinal Vibration of Marine Propeller Shafting / C. Rigby // The ME., 1948, No 3, p. 67.

82. Ruth, E. Overview of Propulsion Control for Surface Vessels / E. Ruth, O. N. Smogeli, A. J. Soresen // Processing's of the 7th IF AC Conference on Maneuvering and Control of Marine Craft (MCMC' 06). Lisbon, Portugal, September 20-22.

83. Van der Linden, C.A., Torsional-Axial Vibrations of ship's / C. A. Van der Linden // Propulsion System Part 1, International Shipbuilding Progress, Vol. 16, № 173, 1969.