автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Создание и развитие средств снижения виброактивности судовых дизель-генераторных агрегатов

На правах рукописи

005531347

Минасян Армен Минасович

СОЗДАНИЕ И РАЗВИТИЕ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ВИБРОАКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 :-::ол т

Санкт - Петербург - 2013

005531347

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» (СПбГМТУ) на кафедре судовых двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры судовых ДВС и ДУ СПбГМТУ Минасян Минас Арменакович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тузов Леонид Васильевич

СПбГУМиРФ им. адмирала С.О. Макарова, профессор кафедры Т и К СДВС

Кандидат технических наук, доцент Янчеленко Виктор Андреевич

СПбНМСУ «Горный», доцент кафедры организации перевозок и безопасности движения,

Ведущая организация

ООО «Центральный научно-исследовательский дизельный институт», Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 07 октября 2013 г. в 14 часов на заседании совета Д212.228.03 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» (СПбГМТУ) по адресу: 190008, Санкт-Петербург, улица Лоцманская, дом 3, аудитория А-313.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ.

Автореферат разослан « Ш-0/~/£Ь 2013 г.

Отзыв на автореферат просим направлять в двух экземплярах, заверенных печатью, по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.228.03 доктор технических наук, профессор

А.П. Сеньков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Согласно «Стратегии развития судостроительной промышленности на период до 2020 года и на дальнейшую перспективу» приоритетным направлением развития конкурентноспособной высокоэкономичной морской техники является, в частности, создание новых типов двигателей и энергетических установок, обладающих повышенной надежностью, безопасностью и живучестью. Важнейшим инструментом стратегии стала федеральная целевая программа «Развитие гражданской морской техники на 2009 -2016 годы».

Введение требований к уровням вибрации и шума на судах связано с защитой судовой команды от воздействия шума и вибрации, сохранением нормальной шумовой экологии в воде и воздушной среде, нормированием низкочастотной вибрации корпусных конструкций с целью обеспечения их прочности

Доля дизельных энергетических установок (ДЭУ) в общем объеме строящихся судов превышает 98%. В тоже время, дизель-генераторные агрегаты (ДГА) являются самым распространенным источником электроэнергии.

Между тем, дизельный двигатель является наиболее мощным источником вибрации и шума

Поэтому необходимость создания и развития средств снижения виброактивности судовых дизель-генераторных агрегатов (СДГА) является одной из актуальнейших задач двигателестроения.

Цель диссертационной работы - создать и практически реализовать новые, более эффективные (по сравнению с существующими) средства снижения виброактивности судовых дизель-генераторных агрегатов, отвечающих современным требованиям виброизоляции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ существующих методов и средств снижения виброактивности судовых ДГА, обосновать целесообразность и актуальность дальнейшего их развития и усовершенствования, наметить основные направления решения проблемы.

2. Создать виброизолирующие крепления, отвечающие современным требованиям виброизоляции СДГА.

3. Разработать методику конструирования виброизолирующих креплений СДГА.

4. Разработать методику выбора виброизолирующих креплений и расчета амортизации СДГА.

5. Экспериментально определить эффективность вибрационной защиты канатных виброизолирующих креплений.

6. Проверить предполагаемую гипотезу о потере упругости грузолюдских или грузовых канатов при предварительном изгибе радиусом Я<4с1к, приводящем к возможному ухудшению эффективности виброизоляции.

Объект исследования - система виброизоляции (амортизации) СДГА.

Предмет исследования - совершенствование средств снижения виброактивности СДГА.

Методы исследований и степень достоверности результатов.

1. Методом патентных исследований обоснован технический уровень средств снижения виброактивности СДГА.

2. Методом натурных опытно-экспериментальных исследований получены нагрузочные характеристики полуколец канатных упругих элементов с дискретными радиусами полуколец и диаметрами каната. По результатам опытно-экспериментальных исследований предложены эмпирические зависимости и разработаны методики: конструирования компоновочных схем виброизоляторов; расчета амортизации СДГА; выбора наилучшей компоновочной схемы.

3. Методом экспериментального исследования уровня вибрации фундамента дизель-генераторов ДГА 50-9, ДГА-8 и дизеля 248,5/11 с заменой жесткого крепления на цилиндрические канатные виброизоляторы определена эффективность их виброизоляции и перепад вибрации.

4. Частоты свободных колебаний определены теоретическим и экспериментальным методами. Расхождение результатов расчета и натурных экспериментов составляет 10%.

Научная новизна.

1. На основе экспериментально полученных нагрузочных характеристик канатных полуколец с различными индексами и диаметрами каната разработана методика , обеспечивающая возможность непрерывного — сплошного выбора исходных данных канатного полукольца (номинальной нагрузки, статической деформации) по заданному значению частот свободных колебаний.

2. Разработана методика выбора диаметра каната, индекса полукольца упругого элемента, компоновочной схемы и определения размеров опорных элементов виброизоляторов.

3. Разработаны методика и программа расчета амортизации судовых дизель-генераторных агрегатов на основе определения оптимального числа канатных полуколец, диаметра каната, индекса и соответствующей формы предложенного виброизолятора с учетом заданного пространства (высоты, ширины, длины) между фундаментом и рамой и т.д.

4. Выдвинута и экспериментально подтверждена гипотеза о потере упругости грузолюдских и грузовых канатов при предварительном изгибе радиусом К<4с1к, приводящем к ухудшению эффективности виброизоляции.

5. Предложено применение в новых канатных виброизоляторах для СДГА массой до 10 т специальных канатов с высокими упругими свойствами и радиусом канатного упругого элемента Я=5с1к, а для масс более Ют- новых комбинированных виброизоляторов с упругими элементами: пружиной, резиной, торсио-ном, пневмобаллоном и с другими видами упругих элементов [8, 9, 15, 17, 22, 25].

Практическая значимость работы.

1. Рекомендации по применению новых опорных канатных и комбинированных виброизоляторов в системах амортизации СДГА, методики их создания и расчета.

2. Предложения по применению новых средств снижения вибрации в источнике и на путях распространения [1-4, 18, 19,21,31].

Реализация результатов работы.

Результаты данной работы используются в научных работах и учебном процессе СПбГМТУ, ОАО «ЗВЕЗДА» и Военном учебно-научном центре ВМФ «ВОЕННО-МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ им. Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова».

Положения, выносимые на защиту:

1 Методика расчета и создания цилиндрических, торообразных, круглых и гиперболообразных канатных виброизоляторов СДГА [24].

2 Методика и программа расчета амортизации СДГА на основе выбора и конструирования канатных виброизоляторов [28].

3 Рекомендация по применению специальных канатов в канатных виброизоляторах с индексом С=10 при амортизации СДГА массой до 10 т, а для масс более 10 т — комбинированных виброизоляторов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на Х-ХУ Международных салонах изобретений и инновационных технологий «Архимед» (Москва, 2007-2012 гг.); на молодежной НТК У-Х «Взгляд в будущее», «ЦКБМТ «Рубин», (Санкт-Петербург, 2007-2012 гг.); «Актуальные проблемы морской энергетики» (2012 и 2013 гг.); на IV МНПК/ МИНОБРНАУКИ РФ, Правительство Москвы, «НТТМ-2012» ВВЦ, ФГБОУ ВПО «Моск. Гос. Строит. Ун-т». - М.: МГСУ (2012 г.); на I Межвузовской НПК студентов, аспирантов и молодых специалистов «Балтийский экватор», СПбГМТУ (2010 г.); на 6-й МНПК «Военно-морской флот и судостроение в современных условиях (2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 работы, из них 4 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, 3 - в соавторстве с долей автора 60%, 1 — без соавторов; 17 патентов на изобретения с долей автора 50% и 10 полезных моделей с долей автора 60% (в том числе без соавторов - 2), 25 тезисов докладов с долей автора 60%, 4 без соавторов, 16 научных статей, из них 14 с долей автора 60%, 6 без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем - 199 е., основного текста — 160 е., приложений — 27 е., имеется 62 рисунка, 14 таблиц, список использованных источников из 187 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, цели и задачи, научная новизна, теоретическая и научная значимость работы, методы исследова-

ния, положения, выносимые на защиту, степень достоверности, апробация результатов и общие сведения о диссертации.

В первой главе показано, что несмотря на относительно высокий уровень исследований в создании и развитии средств снижения виброактивности СДГА, в целом эта проблема еще не решена. Исследования технического уровня и тенденций развития средств борьбы с шумом и вибрацией СДГА, их патентоспособности и патентной чистоты на основе патентной и другой научно-технической информации подтвердили целесообразность и актуальность развития и усовершенствования средств борьбы с шумом и вибрацией на путях их распространения.

Сопоставление

Пружинные виброизоляторы с вязким демпфером Gerb, канатные виброизоляторы Cavoflex. Aeroflex [I - 3. 24. 26. 28, 31]

свойств

виброизолирующих конструкций, изготовленных с применением различных упругих элементов (по книге A.B. Ио-нова и материалам фирм Aeroflex и Cavoflex), приведено в таблице 1

На основе анализа материалов, сравнительных свойств (табл. 1, рис. 1) и основных характеристик упругих элементов различных типов виброизоляторов обоснована актуальность применения стальных канатных и комбинированных виброизоляторов [1 -3,24, 26, 28,31].

В рамках развития и усовершенствования средств снижения виброактивности СДГА предложены новые технические решения (рис. 2) [513].

Во второй главе пред-

ставлена методика конструирования и расчета пожаро-,

10 ^ Гц

Рис. 1. Усредненные вибрационные эффективности виброизоляторов

взрыво-, ударостойких виброизолирующих креплений СДГА [24, 28]. Экспериментальными исследованиями [1 - 3, 24, 28] и опытом [2, 4, 19, 27] применения различных канатных виброизолирующих креплений индексы канатных элементов (полуколец, колец, полувитков) установлены в пределах Спк=4^20, а диаметр стального каната (1к=1^30 мм [1-4, 24, 28]. По результатам экспериментальных исследований (рис. 3 — 8) получены максимальные нагрузки Р, Н и соответствующие деформации 8, мм канатных элементов.

Таблица 1 - Сравнительные свойства упругих элементов виброизоляторов

Работоспособность Обеспечение собственных частот Способность нести нагрузки « я я я са о о. Стойкость н о

Вид материала Сжатие Растяжение Сдвиг Менее 10 Гц От 10 до 30 Гц Малые нагрузки Высокая интенсивность с О) Ч -0 X <и с и н О К корозии и растворителям К высоким температурам х со о и Ц о

Эластомеры О X X У О О X X X У У

Пружины стальные О О П О О О О п 0 О о

Упруго-

демпфирующая прессованная О П П п X X о о о О о

проволока (путанка)

Композитные

полимерные X X П У X О У У X X X

материалы

Пневматические оболочки О У У о - П о У У У У

Магнито-

жидкостные X X п У X О п X У П П

элементы

Стальной канат (трос) X X X о О О X 0 О О X

Стальной канат с пружиной О о о о О О о о О О о

Примечание: О - отлично; X -

Рис. 2. Статические испытания канатных полуколец и витков а - экспериментальная установка с грузами и индекато-ром;

б - испытательная машина УММ-5

хорошо; У - удовлетворительно; П - плохо.

Ц§"

111

IА? к

Рис. 3. Опорные виброизолирующие конструкции и крепления, а, с — £ п - канатно-пружинные, Ь, 1 - торообразные канатные, Ь, ш - цилиндрические канатные, ] — гиперболический канатный (муфта), к - канатно-пневматический виброизоляторы, 1 - канатный упругий элемент сборного виброизолятора Собственные частоты упругих канатных элементов, выраженные через статическую деформацию 8 в мм, определены по формуле:

_ 1 _ ш _ 1

1

2тг.

сд

1

16

(1)

где С - статическая жесткость упругих канатных элементов

- Р Н/

Сет — ~< /м (2)

Динамическая вибрационная жесткость канатных элементов (при условии малого трения в линейном упругом канатном элементе) определяется по частоте резонансных колебаний под номинальной нагрузкой в системе с одной степенью свободы из соотношения

с = о>2М = (2тг/о)2 - = 4,02/о2Р, НД

5

(3)

где ш0 - резонансная круговая частота, с' ; М — приведенная масса колебательной системы, кг; Р - сила, Н; /0 — резонансная частота, Гц; д = 9,81 - ускорение свободного падения, м/с2.

Использование формулы (3) допустимо, поскольку при расчетах амортизации частота собственных колебаний выбирается из условия: отношение частот вынужденных и собственных колебаний равно или больше л/2 , т.е. за резонансной областью, где влияние сил сопротивления незначительно.

ДЕФОРМАЦИЯ 8 Рис. 4. Нагрузочные харак-теристики и схемы нагружения канатного кольца.

О I 5 10

Частота, Гц

Рис. 5. Диаграммы; жесткостный

фактор - амплитуда (а), жесткостный

фактор - собственная частота (Ь).

1 - натуральная резина; 2 - высокопо-глощающая резина; 3 - стальной канат. Для обычных резиновых упругих элементов виброизолирующих конструкций динамическая вибрационная жесткость в зависимости от частоты вибрации и сорта резины на ЗСН-80 % больше статической жесткости и на 5(Н75 % меньше динамической ударной жесткости:

С" = (1,3 - 1,8)С, С" = (1,5 - 1,75)С'. (4), (5) Вибрационная ударная жесткость на 195-^315 % больше статической жесткости:

С" « (2 - 3,5)С, Н/м. (6)

Вибрационная ударная жесткость может быть определена также по формуле:

С" = ФС, Н/м (7)

где Ф - коэффициент динамичности (жесткостной фактор, рис. 3).

5"

Ф=у, (8)

где 5 - деформация канатного элемента при статическом приложении нагрузки Р; 5" - деформация канатного элемента при ударном приложении нагрузки.

<о, Гц Р, Н

С5

Г,. Гц Р. Н

V" /

С6

С7

С8

С9

40"

Ф

ЗОН 20-

сю

2 Б. мм

60

5(1

40

20

С5

/ /

к 1 'о 1 / / /

1 / 4 л

\ \ \ / У / Л

N >

21 сзГ

С6

С 7

С8 С9 СЮ

Рис. 6. Пример определения нагрузки Р в зависимости от индекса С полукольца с диаметром каната с1к=6,7 мм при заданной собственной частоте Г0=15 Гц. Г„. Гц Р. Н О С5 ф

60п

50-

40-

30-

10-ЛЯ &

О

60

50

40

20

¡|3

©___

0 0 I 2 3 4 ' < Я. мм Рис. 7. Пример определения собственной частоты 1"0, деформации 8 в функции от индекса каната 1"0=Г(С) и 8=^С) при Р=35 Н. Распределение нагрузки на наклонный полувиток в зависимости от индекса канатного витка (^предлагается определять по эмпирической формуле (9, 10):

Pz = Р±к, (9)

где Р± - номинальная нагрузка вертикального («активного») полувитка, Н; к = 0,91 для Ск = 4 н- 8 ) к = 0,96 для Ск = 7 11 (, (Ю) к = 0,98 для Ск = 10 ^-2о)

где к - коэффициент учитывающий угол наклона наклонного («пассивного») полувитка относительно вертикального полувитка; Ск - индекс канатного упругого элемента (полукольца, полувитка, витка, кольца) т. е. отношение диаметров канатного упругого элемента Э и каната

£>

Ск = -г, (И)

ак

и

ко / |

1 /

\ / /

у >< * 1

22 1

С'6

С 7 С 8

-С9

С10

о

I

3 © Ь. мм

Рис. 8 Пример определения нагрузки Р, собственной частоты Г0, деформации Б по заданному индексу С;.

Зависимости (10) получены на основе экспериментальных исследований статических характеристик упругих канатных элементов [2, 24, 28].

На основе анализа нагрузочных характеристик выявлены примерные оптимальные экстремумы индексов упругих канатных элементов для диаметров канатов от 1 до 13 мм [24]:

с1к = 1 - 2 мм: = 9,5 - 8; С= 19 - 12*)

= 2 - 3 мм: С£(п = 8,5 - 7; С^ах = 12 [ (12)

йк = 3-13 мм: = 7,5 - 5; С«ах = 12 )

Общее число канатных элементов (полуколец, колец и полувитков):

Сво Сво . Сво „

»п = =-р". (13)

гп '•'п ' в

где Сво - вес виброизолированного объекта, Н; Р„, Рв - номинальные нагрузки, действующие на полукольцо и полувиток соответственно, Н.

Для определения размеров цилиндрических, торообразного, круглого и ги-перболообразного канатных виброизоляторов (рис. 1, 5) разработаны алгоритмы выбора исходных данных, расчетных формул с примерами расчета [1-4, 24, 28].

Минимальный зазор Д между смежными углами и диаметром внутренней окружности при ненагруженных виброизоляторах:

= (14)

где Сов - длина внутренней окружности при ненагруженных виброизоляторах.

¿(^г + Д) П.

Ов=—-- = — (15)

7Г 71

Значение минимального зазора Д между смежными дугами зависит от значения свободного хода виброизолятора:

5С = (0,25 н- 0,75)ЯВШ, (16)

где Нвш - высота между внутренними шайбами.

Для оценки габаритных характеристик канатных виброизоляторов предлагаются два коэффициента:

- коэффициент сжатия, как отношение разности высоты между внутренними шайбами #вш и свободного хода 5С к высоте Явш:

кс=И™-Б< = 0.75 ^ 0,25; (17)

"вш

— коэффициент расширения, как отношение наружного радиуса витка (полукольца) Явн к радиусу свободного расширения Яр:

^=(1,25 %ЫВН = °* + 0*7 ^

Методика рассматривает вычисления размеров для всех виброизоляторов (рис. 9) для дальнейшего анализа и выбора наилучшего варианта [24]. В таблицах 2 и 3 представлены в качестве примера основные исходные данные и зависимости для определения размеров только ЦКВ (рис. 9, а).

Рис. 9. Цилиндрический (а), -горообразный (Ь), круглый (с) и гиперболообразный

(с!) виброизоляторы

1 - упругий элемент; 2, 3 - опорные пластины; 4, 5 - прижимные пластины; 6 -крепежные средства; 7 - стальной канат; 8 - отверстие для крепления виброизолятора

Таблица 2 - Исходные данные для определения размеров цилиндрического канатного виброизолято-

Таблица 3 - Определение размеров цилиндрического канатного виброизолятора

----——---------- Обозначения, формулы, пределы, и т.п. Результат Формулы Результат

L„,= dr„+l,+l2 20

h=hH,„+ hBUI+5 21,6

с1к 9,5 Нвп ~ Rdb'^T 31,5

DnK = Н8 = CnKdK 91,5 H.=H.n+2h 74,7

D = DDKH = DnK + dK 101 0=d„+(0,2-0,5) 8,5

DnKB = DnK-dK 82 e=d+dT(0,2-l) 17,5

R„r=0,5DnK 45,75 g=3e 52,5

RnH= 0,5DnKH = 0,5D 50,5 i=5e 87,5

Rdr= 0,5Эпкв 41 k=7e 122,5

ft 946 k=13e 227,5

S 12,5 a=0,5d„+(0,5-l,5) 9,5

S"min= 0,2DnKB 16,4 c=a+0,5e 18,25

S"max= 0,7DnKB 57,4 f=c+0,5e 27

с 93,8 L=2c+e(i-l) 194

"llB ~ An2fn B=2RDH+LU1 121

GiR=mlB-g=9,81mlB 920 B-2RnKp+LUI min 157

НВП=НВШ и DnK - 2dK 72,5 max 229

RnKH=0,5(DnK + dK) 50 ,5 SB=LB 44426

RnKp= 0,5(DnK+dK)+Sc mm 68,5 Vb=LBHb=SbHb 3318622

max 104,5

(dK, mm)/ d, мм M8 II 1,7

d™ » 2d 16

Ьгв = 0,5d 4 P k» = v 0,023

l, = 0,5-4 2

l2 = 0,5-4 2

h„„, > dT 10

Ьвш > dT 10

5=(0,l-0,2)dT 1,6

На основе анализа работ У. Кер Вильсона, Беляковского Н.Г., Клюкина И.И., Найденко O.K., Тульского Е.В. и др. [2, 14, 24, 28] разработаны обобщенные логические схемы, отражающие:

- цель виброизоляции и общего порядка расчета виброизолирующих креплений;

- исходные данные - характеристики виброизолируемого объекта;

- общий порядок проектирования виброизолирующих креплений судового СДГА(рис. 10);

- алгоритм проектирования индивидуальных виброизолирующих креплений.

Для решения различных конструктивных и эксплуатационных вопросов необходимо знать величину деформации канатных виброизоляторов под действием веса СДГА (рис. 10)

Рг 250

«ст=р = "72-.мм (19)

Рис. 10. Схема виброизолируемого дизель-генераторного агрегата 1 — дизель; 2 — генератор; 3 - маховик; 4 - подмоторная рама; 5 - виброизоляторы

Из условия устойчивости СДГА нижняя граница частот свободных колебаний СДГА принимается 15 — 16 Гц. Меньшее значение нецелесообразно из условия устойчивости СДГА при качке. Область частот выше 25 Гц может быть использована для неуравновешенных ДВС.

Для минимально допустимой частоты /0 = 15 Гц, 6СГ = 1,1 мм и с учетом усадки деформация не превысит 1,5 - 2 мм. При больших значениях/0 деформация будет еще меньше.

Методика определения характеристик канатного виброизолятора для заданной частоты собственных колебаний и массы СДГА заключается в следующем:

1. Определение индекса, статической нагрузки и деформации упругих канатных элементов с диаметрами стального каната от 6 до 13 мм;

2. Определение минимального количества упругих канатных элементов

с 9,81 ■ Af _

"тшкэ = p = -p-' cz°j

где G - сила тяжести СДГА, H; P - статическая нагрузка на один упругий канатный элемент.

3. Выбор общего числа канатных виброизоляторов jKB.

4. Определение числа упругих канатных элементов пкэ для одного канатного виброизолятора

Ппнпкэ 9.81-м

пкэ=—-= • (21)

*кв 1КВ г

5. Определение статической, вибрационной и ударной жесткости канатных виброизоляторов (рис. 5):

С = Ш^:С'=4/°Р'*КВ ] (22)

(■'min = 2С ■ 1КВ; С'тах = 3С ■ i'kbJ

6. Определение координат точек крепления канатных виброизоляторов (рис. 6).

7. Расчет амортизации [28].

8. Построение частотных диаграмм.

9. Анализ результатов расчета и выбор оптимальной конструкции виброизолятора (рис. 3, 9).

На основании предложенной методики была разработана программа расчета амортизации в среде EXCEL [14].

Программа позволяет выполнить расчет амортизации с различными виброизоляторами и схемами их расположения, построить частотные диаграммы для анализа результатов.

Примеры расчета амортизации для ДГА 50-9, ДГА-8 b и двигателя 248,5/11 представлены в приложении диссертационной работы и в [14, 28], а соответствующие частотные диаграммы — на рис. 6 — 8.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям (рис. 8, 9) вибрационной защиты (ВИ) и уровней виброперепада (ВП):

BH = 201g^=201g^, (23)

Афу Г фу

Bn = 201g^=201g|2-, (24)

Фу

где Афж - амплитуда колебания (смещения, скорости, ускорения) фундамента при жестком креплении к нему объекта;

Афу - амплитуда колебания фундамента при наличии ЦКВ;

Рфж - амплитуда силы вибрационного давления на фундамент при жестком креплении к нему объекта;

Рфу - то же, но при наличии ЦКВ;

Р0 - амплитуда вынуждающей силы, действующей на объект;

Ау - амплитуда колебания (смещения, скорости, ускорения) на крепежном болту ЦКВ [1 -4, 16, 18,21,23,26, 27,29,31].

В результате экспериментальных исследований ЦКВ (рис.12, 13), установлено, что в резонансной зоне и в интервале частот 5...200 Гц, в котором лежат основные возмущающие силы ДЭУ, усредненные вибрационные эффективности составляют от 10 до 20 дБ (в диапазоне частот от 16 до 50 Гц), от 20 до 30 и более дБ (в диапазоне частот от 100 до 500 Гц) с амплитудами вибрационного перемещения на низких частотах (10 - 100Гц) до 0,14 мм на лапах и 0,23 мм верхней части — блока двигателя. Частота собственных вертикальных колебаний двигателя 24 8,5/11, определяемая экспериментально, составляет 10-11 Гц, а частота, определяемая теоретическим расчетом - 9,9 Гц.

Для проверки выдвинутой в диссертационной работе гипотезы о потере упругости грузовых и грузолюдских канатов при предварительном изгибе радиусом Ы<4с1к, проведены специальные экспериментальные исследования на дизеле 248,5/11 с гидротормозом.

Для исследования эффективности виброизоляции ЦКВ в условиях перегрузки витков опыты проводились поочередно на 4-х и 3-х виброизоляторах. При этом перепады вибрации оказались незначительными (до 8 дБ), а для некоторых частот отрицательными. Это объясняется тем, что материал стали грузовых и грузолюдских канатов по упругим свойствам уступает пружинам, поэтому при радиусах

изгиба Я<4с1к, происходит остаточная деформация. Таким образом, подтверждается выдвинутая гипотеза. _

/* А «¿3* & ЩшЪ (тЙяИдоь Рис- 12- Экспериментальная * < ' / «... ' 'И'. | дизельная энергетическая ус** тк 1 /Ц тановка: а - дизельная уста-¡гч • >» .Т^ГУ^УЯИи новка с жестким креплением; б , - —— - дизельная установка, подве-... . *" шенная на тросах е динамо-И г " метрами; в - дизельная уста-ЕМ^ ^^"(Г) (") новка на цилиндрических ка-

средства измерения; г - жесткая проставка; д - цилиндрическии канатный вио-роизолятор; 1 - дизель 248,5/11; 2 - гидротормоз; 3 - подмоторная рама; 4 - фундамент; 5 - жесткая проставка; 6 - цилиндрический канатный виброизолятор; 7, 8 - динамометры; 9 - компьютер; 10 - аналаго-цифровой преобразователь; 11 - измеритель вибрации и шума ВШВ-003; 12 - микрофонный предусилитель ПМ-3; 13 - тастограф фирмы «Металлверкер» типа «А»; 14 - катушка с лентой; 15 -виброграф В2; 16 - кубик; 17 - вибропреобразователь (акселерометр); 18 - частотомер.

v-) со VI О '/-> О О 'О О "О О О О О О О О -г сч'юоогчо-— о о <<-> О <П О О 1_ ;_! — сч г>4 vi ос о — оо —

— о) т «о оо <+-Т

Рис. 13. Спектры эффективности вибрационной защиты (ВИ) и виброперепада (ВП) ДГА 50-9, ДГ-8 и 248,5/11

Непосредственная возможность увеличения индекса канатного витка и числа витков обеспечивает увеличение вибрационной эффективности ЦКВ до 35 дБ с амплитудами вибрационного перемещения ниже допустимых (лапа - 0,16 мм и верхняя часть дизеля - 0,3 мм).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация посвящена решению научно-технической проблемы снижения виброактивности судовых дизель-генераторных агрегатов научно обоснованными техническими решениями и разработками, имеющими существенное значение для развития экономики страны.

Основные результаты и выводы диссертационной работы

1. Созданы и реализованы новые средства снижения виброактивности СДГА.

2. Разработана методика расчета цилиндрических, торообразных, круглых и гиперболообразных канатных виброизоляторов СДГА.

3. Разработана методика расчета амортизации СДГА на основе выбора и конструирования канатных виброизоляторов.

4. Экспериментально подтверждена выдвинутая автором гипотеза о резком ухудшении вибрационной эффективности виброизоляторов с упругими элементами из грузовых канатов с радиусом изгиба полукольца Rn=4dK, поэтому рекомендовано при амортизации СДГА массой до 10 т в виброизоляторах применять специальные канаты с радиусом полукольца Rn=5dK, а более Ют- перейти к применению новых комбинированных виброизоляторов.

Основные публикации по теме диссертации

Научные статьи в ведущих реиензируемых научных журналах и изданиях

1. Виброизоляторы для дизельных установок и их элементов [Текст] : статья / Минасян М.А., Минасян A.M. - Двигателестроение. - СПб. : 2008. - №4 (234). - С. 23-28. - ISSN 0202-1633 (авт. - 60%).

2. Компоновка, создание и опыт применения канатных виброизоляторов [Текст] : статья / Минасян М.А., Минасян A.M. -Судостроение. - СПб. : 2010. -№4. - С. 39^3. - ISSN 0039-4580 (авт. - 60%).

3. Актуальность применения нетрадиционных виброизолирующих конструкций и креплений в машиностроении [Текст] : Минасян М.А., Минасян A.M. -Проблемы машиностроения и автоматизации. - СПб. : Институт машиноведения им. A.A. Благонравова РАН, 2010. -№ 2. -С. 44^17 (авт. - 60%).

4. Пожаробезопасные упругие связи судовых энергетических установок и их элементов [Текст] : статья / Минасян A.M. - Морской вестник. - СПб. : 2012. -№1 (9). - С. 66-69. -ISSN 1812-3694 (авт. - 100%).

Патенты (основные):

5. Виброизолирующее устройство [Текст] : пат. на изобр. 2403466 Рос. Федерация : МПК F 16 F 7/14 / авторы и заявители Минасян М.А., Минасян A.M. ; патентообладатель ГОУ ВПО СПбГМТУ. - № 2009120359/11 ; заявл. 28.05.09 ; опубл. 10.11.10, Бюл. № 31 (авт. - 50%).

6. Цилиндрический канатный виброизолятор [Текст] : пат. на изобр. 2390668 Рос. Федерация : МПК F 16 F 7/14 / авторы и заявители Минасян М.А., Минасян A.M. ; патентообладатель ГОУ ВПО СПбГМТУ - № 2008140016/11 ; заявл.

08.10.08 ; опубл. 27.05.10, Бюл. № 15 (авт. - 50%).

7. Цилиндрический канатный виброизолятор [Текст] : пат. на изобр. 2413102 Рос. Федерация : МПК F 16 F 7/14 / авторы и заявители Минасян М.А., Минасян A.M. ; патентообладатель ГОУ ВПО СПбГМТУ - № 2009147558/11 ; заявл.

21.12.09 ; опубл. 27.02.11, Бюл. № 6 (авт. - 50%).

8. Виброизолирующее устройство [Текст] : пат. на пол. модель 113801 Рос. Федерация : МПК F 16 F 7/14, 7/00 / авторы и заявители Минасян М.А., Минасян A.M.. ; патентообладатель ГОУ ВПО СПбГМТУ - № 2011143129/11 ; заявл. 25.10.11 ; опубл. 27.02.12, Бюл. № 6 (авт. - 50%).

9. Виброизолирующее устройство [Текст] : пат. на изобр. 2479765 Рос. Федерация : МПК F 16 F 7/14 / авторы и заявители Минасян A.M., Минасян М.А.. ;

патентообладатель ГОУ ВПО СПбГМТУ - № 2011151263/11 ; заявл. 14.12.11 ; опубл. 20.04.13, Бюл. № 11 (авт. - 50%).

10. Виброизолятор [Текст] : пат. на пол. модель 117549 Рос. Федерация : МПК F 16 F 15/08 / авторы и заявители Минасян A.M.. ; патентообладатель ГОУ ВПО СПбГМТУ-№ 2012107564/11 ; заявл. 28.02.12 ; опубл. 27.06.12, Бюл. № 18 (авт. - 100%).

11. Виброизолятор [Текст] : пат. на пол. модель 120171 Рос. Федерация : МПК F 16 F 3/02, 1/02 / авторы и заявители Минасян М.А., Минасян A.M..; патентообладатель ГОУ ВПО СПбГМТУ - № 2012116174/11 ; заявл. 20.04.12 ; опубл. 10.09.12, Бюл. № 25 (авт. - 50%).

12. Резинометалличесий виброизолятор [Текст] : пат. на пол. модель 120172 Рос. Федерация : МПК F 16 F 7/00, 1/373 / авторы и заявители Минасян A.M.. ; патентообладатель ГОУ ВПО СПбГМТУ - № 2011134504/11 ; заявл. 17.08.11 ; опубл. 27.01.12, Бюл. № 3 (авт. - 100%).

13. Канатный виброизолятор [Текст] : пат. на изобр. 2478845 Рос. Федерация : МПК F 16 F 7/14 / авторы и заявители Минасян A.M., Минасян М.А.. ; патентообладатель ГОУ ВПО СПбГМТУ - № 2011143208/11 ; заявл. 25.10.11 ; опубл. 10.04.13, Бюл. № 10 (авт. - 50%).

Программа ЭВМ

14. Программа расчета амортизации судовых дизельных энергетических установок [Текст] : свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2013610171 Рос. Федерация / авторы и заявители Минасян М.А., Минасян A.M. ; патентообладатель ГОУ ВПО СПбГМТУ - № 2012619707/11 ; заявл. 12.11.12 ; опубл. 09.01.13 (авт. - 80%).

Другие публикации:

15. Комбинированный виброизолятор [Текст] : мат. V НТК «Взгляд в будущее» (Санкт-Петербург, 25-26 октября 2007 г.) / Минасян A.M. — СПб. : ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», 2007. - С. 283-297 (авт. 100%).

16. Нетрадиционные опорные и неопорные виброизолирующие конструкции и крепления [Текст] : мат. VI НТК «Взгляд в будущее» (Санкт-Петербург, 15-17 октября 2008 г.) / Минасян A.M. - СПб. : ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», 2008. -С. 259-267 (авт. 100%).

17. Комбинированная виброизолирующая упругая опора [Текст] : мат. НТК «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС» / Минасян М.А., Минасян A.M.. - СПб.: СПбГМТУ, 2008. - С. 182-186 (авт. 70%).

18. Виброизолирующие конструкции и крепления судовых технических средств [Текст] : мат. МНПКСиА, посвященной 200-летию транспортного образования в России / Минасян A.M. - СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009. - С. 37-43 (авт. 60%).

19. Первый шаг по созданию и реализации новой низкочастотной металлической пружинно — канатной опоры [Текст] : мат. VII НТК «Взгляд в будущее» (Санкт-Петербург, 28 - 29 октября 2009 г.) / Минасян М.А., Минасян A.M. -СПб.: ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», 2009. - С. 326-332 (авт. 80%).

20. Виброизолирующее устройство [Текст] : официальный каталог IX Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2009» (Москва, 24-27 июня 2009 г.) / Минасян А.М. - М. : ВВЦ, 2009. - С. 176-177. (авт. 100%).

21. Виброизоляторы судовых дизельных энергетических установок и их элементов [Текст] : мат. межотрасл. НТК «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС» (Санкт-Петербург, 18 нояб. 2010 г.) / Минасян М.А., Минасян А.М. -СПб. : СПбГМТУ, 2010. - С. 47-50 (авт. 50%).

22. Ударовиброизолятор [Текст] : мат. I межвуз. НПК студ., асп. и мол. спец. «Балтийский экватор» (Санкт-Петербург, 18-10 марта 2010 г.) / Минасян А.М. -СПбГМТУ, 2010. - С. 273-281 (авт. 100%).

23. Нетрадиционные виброизоляторы для судовых энергетических установок, их элементов и других технических средств [Текст] = Non-traditional vibration isolators for ship power installations, their elements and other technical means : материалы 6 межд. конф. «Военно-морской флот и судостроение в современных условиях» NSN'2011 (Санкт-Петербург, 30 июня - 1 июля 2011 г.) / Минасян М.А., Минасян А.М. - СПб. : Крыловский государственный научный центр, 2011 (авт. 50%).

24. Методика конструирования и расчета пожар-, взрыво-, ударостойких виброизолирующих креплений судовых энергетических установок и их элементов [Текст] : мат. межотрасл. науч.-тех. конф. «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербург, 16 февр. 2012 г.) / Минасян М.А., Минасян А.М. — СПб. : СПбГМТУ, 2012.-С. 178-181 (авт. 50%).

25. Канатно-пружинные виброизоляторы [Текст] : мат. межотрасл. науч.-тех. конф. «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербург, 16 февр. 2012 г.) / Минасян А.М. - СПб. : СПбГМТУ, 2012. - С . 172-173 (авт. 100%).

26. Цилиндрические канатные виброизоляторы судовых энергетических установок и их элементов [Текст] : мат. межотрасл. науч.-тех. конф. «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербург, 16 февр. 2012 г.) / Минасян А.М. - СПб. : Изд. СПбГМТУ, 2012. - С. 175-177 (авт. 100%).

27. Опыт создания и применения цилиндрических канатных виброизоляторов [Текст] : мат. X молодежной НТК «Взгляд в будущее» (Санкт-Петербург, 30-31 мая 2012 г.) / Минасян А.М. - СПб. : ФГУП «ЦКБМТ «Рубин», 2012. - С. 455464 (авт. 100%).

28. Методика расчета амортизации судовых дизельных энергетических установок на основе выбора и конструирования виброизоляторов [Текст] : мат. межотрасл. науч.-тех. конф. «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербург, 14-15 февр. 2013 г.) / Минасян М.А., Минасян А.М. - СПб. : СПбГМТУ, 2013. - С. 62-64 (авт. 60%).

29. Создание и развитие новых средств снижения виброактивности судовых дизельных энергетических установок и их элементов [Текст] : мат. межотрасл. науч.-тех. конф. «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербург,

14-15 февр. 2013 г.) / Минасян A.M., Минасян М.А. - СПб. : СПбГМТУ, 2013. -С. 41—42 (авт. 60%).

30. Новые средства борьбы с вибрацией и шумом в источнике [Текст] : мат. межотрасл. науч.-тех. конф. «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербург, 14-15 февр. 2013 г.) / Минасян A.M., Минасян М.А. - СПб. : СПбГМТУ, 2013. - С. 64-66 (авт. 50%).

31. Новые средства борьбы с шумом и вибрацией на путях их распространения [Текст] : мат. межотрасл. науч.-тех. конф. «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербург, 14-15 февр. 2013 г.) / Минасян A.M., Минасян М.А. - СПб. : СПбГМТУ, 2013. - С. 67-68 (авт. 60%).

32. Систематизация информации о судовых средне- и высокооборотных дизельных двигателях для пропульсивных комплексов судов [Текст] : мат. межотрасл. науч.-тех. конф. «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербург, 14-15 февр. 2013 г.) / Померанец Л.К., Гайдукевич П.Ю., Минасян A.M. - СПб.: СПбГМТУ, 2013. - С. 77-78 (авт. 60%).

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 20.06.2013. Зак. 4525. Тир. 90. 1,1 печ. л.

Министерство образования и науки РФ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

(СПбГМТУ)

На правах рукописи

Минасян Армен Минасович

СОЗДАНИЕ И РАЗВИТИЕ СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ВИБРОАКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы

(главные и вспомогательные)

СО

Диссертация

фф на соискание ученой степени

^ £2 кандидата технических наук

СО 8

^ т- Научный руководитель -

^^ LO доктор технических наук

^ профессор Минасян М.А.

Санкт - Петербург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.........................5

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

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ВИБРОАКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................................................12

1.1 Виброакустические характеристики современных судовых дизельных двигателей ............................................................................................................................12

1.2 Современные методы борьбы с шумом и вибрацией судовых двигателей внутреннего сгорания....................................................................................................18

1.2.1 Методы внутрннего и внешнего уровновешивания....................................22

1.2.2 Методы борьбы с колебаниями.....................................................................25

1.2.3 Конструктивные меры борьбы с вибрацией и шумом в источнике..........33

1.2.3.1 Динамические усилители компрессии......................................................34

1.2.3.2 Шатуны.........................................................................................................37

1.2.3.3 Успокоители колебаний..............................................................................40

1.2.3.4 Зубчатое колесо............................................................................................42

1.2.3.5 Стенд для испытания успокоителей колебаний валов.............................44

1.2.4 Методы снижения шума и вибрации на путях их распространения.........46

1.2.4.1 Неопорные амортизирующие конструкции..............................................46

1.2.4.2 Системы виброизоляции судовых дизельных установок........................53

1.2.4.3 Анализ материалов, сравнительных свойств и основных характеристик упругих элементов различных типов виброизоляторов............................................56

1.3 Выводы по второй главе ..................................................................................87

2 МЕТОДИКА КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ПОЖАРО-, ВЗРЫВО-, УДАРОСТОЙКИХ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИХ КРЕПЛЕНИЙ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ................................................................88

2.1 Актуальность применения в системах виброизоляции судовых дизель-генераторных агрегатов канатных виброизоляторов................................................88

2.2 Определение максимальных нагрузочных характеристик и собственных частот канатных полуколец..............................................................................................89

2.3 Определение статических, динамических вибрационных и ударных жест-костей канатных полуколец и колец...........................................................................93

2.4 Определение статических, динамических вибрационных и ударных жест-костей канатных витков................................................................................................96

2.5 Методика проектирования канатных виброизоляторов................................99

2.5.1 Определение частот свободных колебаний виброизоляторов.................102

2.5.2 Определение общего числа канатных элементов — полуколец, колец и витков............................................................................................................................102

2.5.3 Алгоритмы выбора исходных данных и определения размеров цилиндрических, торообразного, круглого и гиперболообразного канатных виброизоляторов .................................................................................................................................103

2.6 Выводы по второй главе.................................................................................108

3 МЕТОДИКА РАСЧЕТА АМОРТИЗАЦИИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ ВЫБОРА И КОНСТРУИРОВАНИЯ КАНАТНЫХ ВИБРОИЗОЛЯТОРОВ..............................109

3.1 Цель, задача, исходные данные и порядок расчета амортизации виброизолирующего крепления.................................................................................................109

3.2 Алгоритм проектирования индивидуальных виброизолирующих креплений.............................................................................................................................114

3.3 Методика определения параметров и характеристик канатных полуколец (витков) виброизолятора.............................................................................................121

3.4 Методика выбора характеристик виброизолятора для заданной частоты собственных колебаний и силы тяжести ДГА..........................................................126

3.5 Выводы по третьей главе................................................................................131

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ.... 132

4.1 Эффективность вибрационной защиты судовых дизельных энергетических установок......................................................................................................................132

4.2 Точный способ экспериментального исследования эффективности виброизолирующего крепления...........................................................................................135

4.3 Приближенный способ экспериментального исследования эффективности виброизолирующего крепления.................................................................................135

4.4 Экспериментальное исследование эффективности виброизолирующего крепления по воздушному шуму...............................................................................136

4.5 Методика экспериментальных исследований вибрации и шума................138

4.5.1 Программа экспериментальных исследований.........................................138

4.6 Проведение экспериментальных исследований...........................................145

4.7 Обработка и анализ экспериментальных данных.........................................145

4.7.1 Дизель-генераторный агрегат ДГА 50-9....................................................145

4.7.2 Дизель-генераторный агрегат ДГА -8........................................................145

4.7.3 Экспериментальная установка с двигателем 24 8,5/11 и гидротормозом на общей раме..............................................................................................................149

4.8 Проверка гипотезы о потере упругости каната при предварительном изгибе радиусом Я<4ёк, приводящем к возможному ухудшению эффективности виброизоляции .......................................................................................................................153

4.9 Выводы по четвертой главе............................................................................159

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................160

Список использованных источников...................................................................161

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................................172

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АКСС-амортизатор корабельный

сварной со страховкой

АК-амортизирующее крепление

В - виброизолятор

ВАХ - виброакустические

характеристики

ВИ - виброизоляция

ВК - виброизолирующее крепление

ВО - виброизолирующий объект

ВМ- вращающаяся масса

ВКиК- виброизолирующие

конструкции и крепления

ВП - виброперепад

ГТД - газо-турбинный двигатель

ГЦОИ - главные центральные оси

инерции

ДВС - двигатель внутреннего сгорания

ДГ - дизель - генератор ДГА - дизель-генераторный агрегат ДУК- динамический усилитель компрессии

ДЭЭУ - дизель — электрическая

энергетическая установка

ЖК - жесткое крепление

И - изобретение

КВ - канатный виброизолятор

КМ - композиционный материал

КРМВ - канатный резино-

металлический виброизолятор

КПВ - канатно - пружинный

виброизолятор

КС- камера сгорания

КШМ - кривошипно-шатунный

механизм

МР - металлическая резина

ОЖ - ось жесткости

ОИ - ось инерции

П - перепад вибрации

ПДМ- поступательно движущаяся

масса

ПКВ - пружинно - канатный

виброизолятор

ПК - полукольцо канатное

ПМ - паровые машины

ПТ — паротурбина

ПЭВМ - персональная электронно-

вычислительная машина

САЗ - средства акустической защиты

С ДВС - судовые двигатели

внутреннего сгорания

СДЭУ - судовые дизельные

энергетические установки

СП - стальная проставка

СПК- судовой пропульсивный

комплекс

СЭУ - судовые энергетические установки

СТС - судовые технические средства

ТКВ - торообразный канатный

виброизолятор

У - упругое крепление

УВИ - уровень виброзащиты

УП - уровень перепада вибрации

Ф - фундамент

ФЖ - точка замера вибрации на фундаменте при жестком креплении объекта

ФУ - точка замера вибрации на фундаменте при упругом креплении объекта

ЦКВ - цилиндрический канатный виброизолятор

ЦКРВ — цилиндрический канатно-резиновый виброизолятор ЦПГ- цилиндро-поршневая группа ЦЖ - центр жесткости ЦМ - центр масс ЦТ - центр тяжести ЭСА - элемент сборного амортизатора

ВВЕДЕНИЕ

Согласно «Стратегии развития судостроительной промышленности на период до 2020 года и на дальнейшую перспективу» приоритетным направлением развития конкурентноспособной высокоэкономичной морской техники является, в частности, создание новых типов двигателей и энергетических установок, обладающих повышенной надежностью, безопасностью и живучестью. Важнейшим инструментом стратегии стала федеральная целевая программа «Развитие гражданской морской техники на 2009 - 2016 годы».

Введение требований к уровням вибрации и шума связано с защитой судовой команды от воздействия шума и вибрации, сохранением нормальной шумовой экологии в воде и воздушной среде, а низкочастотной вибрации корпусных конструкций - с целью обеспечения их прочности [9 - 24, 28, 29, 49, 58, 118].

Доля дизельных энергетических установок (ДЭУ) в общем объеме строящихся судов превышает 98%. В тоже время, дизель-генераторные агрегаты (ДГА) являются самым распространенным источником электроэнергии [115, 149].

Однако, дизельный двигатель является наиболее мощным источником вибрации и шума.

В настоящее время вопросы вибрации занимают одно из центральных мест в судостроении.

Поэтому необходимость интенсивного поиска путей борьбы с шумом и вибрацией в источнике и на путях их распространения является одной из актуальнейших задач двигателестроения.

Исследованиями по патентным, научно-техническим и другим источникам информации и их анализом [1 - 8, 25 - 58, 116 - 118, 149 - 187] подтверждено, что средства снижения вибрации и шума на путях распространения (опорные и неопорные связи - боковые и торцевые, вставки в трубопроводы, муфты, торси-оны и т.д.) среди всех методов и средств по эффективности находятся на первом месте.

Опорные виброизоляторы должны обеспечить: виброизоляцию, противоударную защиту, одновременно виброизоляционную и противоударную защиту, антивибрационную защиту от ходовой вибрации корпуса судна с учетом эксплуатационных требований, поскольку они используются в условиях экстремальных температур, агрессивных сред (топливо, масло, морская вода, органические растворители), и, в отдельных случаях, в условиях повышенной радиации. Кроме того, к опорным виброизоляторам предъявляются требования, связанные с конструктивными особенностями виброизолируемого объекта и технологическими возможностями их осмотра, ремонта и замены.

Но использование традиционных средств виброизоляции не всегда дает желаемый эффект, что предопределяет необходимость поиска и использования принципиально новых устройств для улучшения эффективности виброизоляции судового дизеля.

Металлические - тросовые (канатные) виброизоляторы имеют несколько неоспоримых преимуществ перед другими типами виброизолирующих конструкций: их характеристики практически не зависят от температурных режимов эксплуатации (начиная от -200 и вплоть до +370 °С); они пожаробезопасны; инертны к агрессивным средам.

Такая нечувствительность к агрессивным средам и условиям эксплуатации позволяет до минимума сократить трудозатраты на их техническое обслуживание.

Цель диссертационной работы - создать и практически реализовать новые, более эффективные (по сравнению с существующими) средства снижения виброактивности судовых дизель-генераторных агрегатов, отвечающих современным требованиям виброизоляции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи;

1 Выполнить анализ существующих методов и средств снижения виброактивности судовых ДГА, обосновать целесообразность и актуальность дальнейшего их развития и усовершенствования, наметить основные направления реше-

ния проблемы.

2 Создать виброизолирующие крепления, отвечающие современным требованиям виброизоляции.

3 Разработать методику конструирования виброизолирующих креплений СДГА.

4 Разработать методику выбора канатных виброизолирующих креплений и расчета амортизации СДГА.

5 Экспериментально определить эффективность вибрационной защиты канатных виброизолирующих креплений.

6 Проверить предполагаемую гипотезу о потере упругости грузолюдских или грузовых канатов при предварительном изгибе радиусом К.п=4с1к, приводящем к возможному ухудшению эффективности виброизоляции.

В связи с этим создание и развитие средств снижения виброактивности судовых дизель-генераторных агрегатов является актуальной задачей современного дизелестроения.

Объект исследования - система виброизоляции (амортизации) СДГА.

Предмет исследования - совершенствование виброизолирующих креплений системы амортизации СДГА.

Методы исследований и степень достоверности результатов.

1 Методом патентных исследований обоснован технический уровень средств снижения виброактивности СДГА.

2 Методом натурных опытно-экспериментальных исследований получены нагрузочные характеристики полуколец канатных упругих элементов с дискретными радиусами полуколец и диаметрами каната. По результатам опытно-экспериментальных исследований предложены эмпирические зависимости и разработаны методики: конструирования компоновочных схем виброизоляторов; расчета амортизации СДГА; выбора наилучшей компоновочной схемы.

3 Методом экспериментального исследования уровня вибрации фундамента дизель-генераторов ДГА 50-9, ДГА-8 и дизеля 248,5/11 с заменой жесткого крепления на цилиндрические канатные виброизоляторы определена эффектив-

ность их виброизоляции и перепад вибрации.

4 Частоты свободных колебаний определены теоретическим и экспериментальным методами. Расхождение результатов расчета и натурных экспериментов составляет 10%.

Научная новизна

1 На основе экспериментально полученных нагрузочных характеристик канатных полуколец с различными индексами и диаметрами каната разработаны специальные номограммы, обеспечивающие возможность непрерывного (сплошного) выбора исходных данных канатного полукольца (номинальной нагрузки, статической деформации) по заданному значению частот свободных колебаний.

2 Разработана методика выбора диаметра каната, индекса полукольца упругого элемента, компоновочной схемы и определения размеров опорных элементов виброизоляторов.

3 Разработаны методика и программа расчета амортизации судовых дизель-генераторных агрегатов на основе определения оптимального числа канатных полуколец, диаметра каната, индекса и соответствующей формы предложенного виброизолятора с учетом заданного пространства (высоты, ширины, длины) между фундаментом и рамой, точек крепления и т.д.

4 Выдвинута и экспериментально подтверждена гипотеза о потере упругости грузолюдских и грузовых канатов при предварительном изгибе радиусом Я<4с1к, приводящем к ухудшению эффективности виброизоляции.

5 Предложено применение в новых канатных виброизоляторах для СДГА массой до 10 т специальных канатов с высокими упругими свойствами и радиусом канатного упругого элемента К<5ёк, а для масс более Ют- новых комбинированных виброизоляторов с упругими элементами: пружиной, резиной, торсио-ном, пневмобаллоном и с другими видами упругих элементов.

Практическая значимость работы.

1 Рекомендации по применению новых опорных канатных и комбинированных виброизоляторов в системах амортизации СДГА, методики их создания и

расчета.

2 Предложения по применению новых средств снижения вибрации в источнике и на путях распространения.

Реализация результатов работы. Результаты данной работы используются в научных работах и учебном процессе СПбГМТУ, ОАО «ЗВЕЗДА» и Военном учебно-научном центре ВМФ «ВОЕННО-МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ им. Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова».

Положения, выносимые на защиту:

1 Методика расчета и создания цилиндрических, торообразных, круглых и гиперболообразных канатных виброизоляторов СДГА.

2 Методика и программа расчета амортизации СДГА на основе выбора и конструирования канатных виброизоляторов.

3 Рекомендация по применению специальных канатов в канатных виброизоляторах с индексом С=10 при амортизации СДГА массой до 10 т, а для масс более Ют- комбинированных виброизоляторов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на Х-ХУ Международных салонах изобретений и инновационных технологий «Архимед» (Москва, 2007-2012 гг.); на молодежной НТК У-Х «Взгляд в будущее», «ЦКБМТ «Рубин», (Санкт-Петербург, 2007-2012 гг.); «Актуальные проблемы морской энергетики» (2012 и 2013 гг.); на IV МНПК/ МИНОБРНАУКИ РФ, Правительство Москвы, «НТТМ-2012» ВВЦ, ФГБОУ ВПО «Моск. Гос. Строи�