Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Конструкции и анализ эксплуатационных характеристик современных демпферов крутильных колебаний в судовых пропульсивных комплексах 9
1.1 Основы практического выбора демпфера в современном проектировании судовых дизельных установок 9
1.2 Режимы работы и основные динамические параметры среднеоборотных дизелей судов Волго-Каспийского бассейна 10
1.3 Полиметилсилоксановые (силиконовые) демпферы крутильных колебаний 14
1.3.1 Классификация демпферов, используемых в судовых энергетических установках 14
1.3.2 Типы и конструкции судовых демпферов 17
1.4 Полиметилсилоксановая жидкость как наполнитель демпфера в пропульсивном комплексе 21
1.4.1 Общие сведения. Выбор демпфирующей жидкости 21
1.4.2 Физико-химические свойства полиметилсиколсановой жидкости 24
1.4.3 Методы определения физико-химических свойств полиметилсилоксановой жидкости 27
1.5 Современное состояние проблемы гашения крутильных колебаний 30
1.6 Инструментальное обеспечение экспериментальных исследований крутильных колебаний 38
1.6.1 Датчики механических напряжений в судовых валах 39
1.6.2 Датчики крутящего момента с магнитоупругими преобразователями 43
1.7 Экспериментальные исследования крутильных колебаний 50
1.8 Цель и задачи диссертационной работы 54
Глава 2. Теоретический аспект демпфирования крутильных колебаний в валах судового пропульсивного комплекса. (Механико- математическая модель процессов, протекающих в динамическом гасителе колебаний с жидким наполнителем) 58
2.1 Гидродинамическая модель вязкого трения в слое силиконовой жидкости в зазорах демпфера крутильных колебаний 59
2.2 Течение в кольцевых зазорах 62
2.3 Определение реакции жидкости в кольцевых зазорах 64
2.4 Асимптотическое представление решения 66
2.5 Определение моментов вязких сил трения, действующих на корпус и маховик в кольцевых зазорах 67
2.6 Течение в торцевых зазорах 69
2.7 Определение реакции жидкости в торцевых зазорах 70
2.8 Определение моментов вязких сил трения, действующих на корпус и маховик в торцевых зазорах 71
2.9 Динамические уравнения демпфера крутильных колебаний 72
2.10 Расчет амплитудно-частотных характеристик демпфера крутильных колебаний 75
2.11 Энергетические характеристики 80
Глава 3. Экспериментальные исследования демпфирования крутильных колебаний 88
3.1 Цель и задачи экспериментального исследования 88
3.2 Стенд испытаний и исследований демпферов судовых дизелей 89
3.3 Электронное оборудование стенда для испытания демпфера 97
3.4 Результаты экспериментального исследования модельного силиконового демпфера 109
3.5 Измерение параметров крутильных колебаний на валах дизельных установок судов усовершенствованным комплексом «Astech Electronics» 115
3.6 Сертификационная документация по испытательному стенду 118
3.7 Характеристики демпфера 120
Глава 4. Натурные испытания и исследования работы силиконовых демпферов крутильных колебаний в условиях эксплуатации судов 129
4.1 Значение и организация испытаний и исследований демпфирования крутильных колебаний в судовых валах в условиях эксплуатации 129
4.2 Натурные испытания силиконовых демпферов главных двигателей судов Волго-Каспийского бассейна и оценка их перспективной работоспособности 135
4.3 Причины снижения эффективности демпфера 142
4.3.1 Влияние утечки наполнителя 142
4.4 Изменение физико-химических свойств демпфирующей жидкости в эксплуатации 146
4.4.1 Экспериментальные исследования 148
4.4.2 Результаты экспериментальных исследований изменения физико-химических свойств полиметилсилоксановых жидкостей 156
4.5 Интеграция образования, науки и бизнеса в современном техническом университете 168
Заключение 172
Список использованной литературы 175
Приложение А
- Режимы работы и основные динамические параметры среднеоборотных дизелей судов Волго-Каспийского бассейна
- Течение в кольцевых зазорах
- Стенд испытаний и исследований демпферов судовых дизелей
- Натурные испытания силиконовых демпферов главных двигателей судов Волго-Каспийского бассейна и оценка их перспективной работоспособности
Введение к работе
Водоизмещающее судно в целом представляет собой сложнейшую конструкционную систему, многочисленные составляющие элементы которой находятся в постоянной внутренней взаимозависимой механической связи и взаимодействии с окружающей средой. Большие габариты современных транспортных судов, высокое и многообразное их насыщение различным технико-энергетическим оборудованием доводит построечную стоимость до многих миллионов американских долларов. Например, цена нового морского газовоза класса LNG вместимостью 150...200 тыс.м"* составляет $ 200 млн. Высокая цена судна обусловливает необходимость всестороннего обеспечения его высокого ресурса - обычно не менее 25 лет. Современные большегрузные танкеры - перевозчики сжиженного газа проектируются и строятся на 40-летний ресурс для обеспечения их привлекательной рентабельности. Понятно, что надежная реализация столь длительного ресурса габаритной металлоконструкции (длина морских судов 100...300 м, ширина до 50 м, осадка в грузу 10...20 м) требует особенно глубокой проработки проблемы усталостной прочности элементов судового набора во всех его частях и, особенно, в конструкционных элементах линии пропульсивного комплекса от главного двигателя до дейдвудного яблока и гребного винта. Здесь основной источник внутреннего динамического нагружения судового набора - трансмиттер этого нагружения - вал во всех его частях от упорного подшипника до гребного вала.
Повторно-переменный характер и динамика передаваемого валом крутящего момента обуславливается многими факторами: как внутренними для рассматриваемого пропульсивного комплекса, так и внешними по отношению к нему (режим работы судна, состояние моря и положение судна в нем).
Основным внутренним фактором, всесторонне обусловливающим характер нагружения пропульсивного вала является главный двигатель со
всеми его схемными, конструкционными и энергогенерирующими особенностями.
В настоящее время более 95% водоизмещающих транспортных судов мирового флота имеет в качестве главных двигателей дизели. Принципиальной конструкционной и энергогенерационной особенностью дизеля является его шатунно-поршневая схема и, связанный с ней циклически, прерывистый процесс сжигания топлива. Она обеспечивает дизелю с одной стороны максимальную для тепловых двигателей топливную экономичность (ле = 0,50), с другой - циклическую неравномерность крутящего момента на коленчатом валу. Многоцилиндровый дизель вместе со всеми валами, включая гребной, образует упругую систему, передающую циклически переменный в установившемся режиме работы крутящий момент, определяющий также циклически меняющуюся деформацию закручивания вала во всех его частях. Эти деформации из-за их цикличности называются крутильными колебаниями. Они характеризуются частотой и амплитудой деформации закручивания или соответствующей ей величины касательного или главного (нормального) напряжения на поверхности вала.
Естественно, что пропульсивная линия валов, включая коленчатый вал дизеля, как всякая упругая система, имеет определенные характеристики собственных крутильных (равно как осевых и изгибных) колебаний. В отличие от них крутильные колебания, развивающиеся в судовых валах в процессе их рабочего нагружения, называются вынужденными. Совпадение частот собственных и вынужденных колебаний на определенных (резонансных) режимах работы пропульсивного комплекса чревато превышением допускаемых напряжений в вале и даже его возможным разрушением.
Определение характеристик собственных крутильных (равно как изгибных и осевых) колебаний в теоретическом анализе и в проектных расчетах пропульсивного комплекса представляет собой огромную по объему влияющих факторов и трудностям количественных оценок их
характеристик физико-математическую проблему. По существу это комплексная проблема, состоящая из ряда отдельных проблем, которые не только могут, но и должны рассматриваться самостоятельно как отличные но своему физическому содержанию и как относящиеся к различным конструкционным объектам, входящим вместе в пропульсивный комплекс. Соединение решений этих проблем при условии их обоснованности и правильности также представит собой итоговую научно-техническую проблему, решение которой составит теоретическую основу создания метода полного проектного расчета крутильных колебаний в судовых дизельных пропульсивных установках и надежных методов конструкционного подавления их запредельного развития.
Одним из существующих методов подавления чрезмерных амплитуд (по деформациям и напряжениям) является демпфирование крутильных колебаний.
Эта проблема в целом составляет предмет настоящей диссертационной работы. В ее четырех главах рассмотрены:
Демпфирование крутильных колебаний в дизельных пропульсивных установках. Современные демпферы: конструкции, эксплуатационные характеристики. Сравнительный анализ вариантов, преимущества, недостатки, эффективность. Демпферы в свете документов и инструкционных писем Классификационных обществ и МАКО -Международной Ассоциации Классификационных Обществ (IACS -International Association of Classification Societies). Постановка проблемы и отдельных задач диссертационной работы.
Общая теория гидромеханического демпфера с полиметилсилоксановыми (в дальнейшем силиконовыми) наполнителями. Решается общая задача о движении жидкости в краевых условиях, адекватных конструкционным решениям в патентах Geislrnger, Holset, TSE и др. На основе полученного решения разработана программа расчета развития и подавления амплитуд характеристик крутильных колебаний. Выводы и результаты расчетов.
3 Экспериментальное стендовое исследование крутильных колебаний.
Экспериментальный стенд. Оборудование. Измерительная и
^ регистрирующая аппаратура. Методика экспериментального
исследования. Погрешность измерений. Результаты экспериментального исследования. Сравнение данных расчета и экспериментов. Анализ. Выводы. Отметим, что в стендовых экспериментах и далее в натурных испытаниях на судах использовалась современная уникальная измерительная и регистрирующая техника, включая скоростную киносъемку. Получен ряд новых данных о поведении силиконового демпфера и его эффективности, химико-физических свойствах полиметилсилоксановых (силиконовых) жидкостей в специфических условиях эксплуатации демпферов.
4 Натурные испытания силиконовых демпферов на судах класса «река-
море». Натурные испытания демпферов работающих в условиях рейсов и
промысла были выполнены на судах проектов (№№ 326.1, 550А, 630, 787,
« 1577, 1570, Н-3291, 3290, 12911, 19610, 19620, 81200, СМ377) в основном
с использованием стендовой аппаратуры. В ходе испытаний были сделаны важные в практическом отношении обнаружения и отработаны соответствующие рекомендации по поводу организации текущих (плановых) ревизий демпферов и их ресурсных сроков.
Основные положения и выводы по работе сформулированы в 8 пунктах
«Заключения».
*
Режимы работы и основные динамические параметры среднеоборотных дизелей судов Волго-Каспийского бассейна
Распределение режимов работы ГД и вспомогательных дизелей (ВД) определяется особенностями их работы: специфической структурой эксплуатационного времени, широким диапазоном рабочих нагрузок дизелей на
различных режимах работы судна. В частности, данные об относительной продолжительности режимов работы рыбопромысловых, транспортных, пассажирских и пр. судов класса «река-море», полученные опытно-статистическим методом по судовым вахтенным журналам, представлены в таблице А.2 Приложения А.
Большинство режимов работы судна характеризуется относительно широким интервалом значений нагрузки. Под воздействием многих случайных факторов величины нагрузок ГД и ВД одного и того же судна при выполнении одних и тех же операций могут колебаться в значительных пределах.
Единственным источником информации о распределении нагрузок ГД и ВД является вахтенный машинный журнал. Работа дизелей, как правило, характеризуется определенными отклонениями от номинальной мощности. Длительное время дизели (особенно ВД) работают со значительной недогрузкой.
В таблице А.З Приложения А представлены данные о загрузке ГД и ВД на различных режимах основных типов судов класса «река-море», полученные обработкой статистического материала. Распределение нагрузок ГД и ВД судов «река-море» различаются в зависимости от назначения судна. Так, например, на режиме «переход», занимающем основную часть эксплуатационного времени транспортного судна, ГД загружены полностью, а вспомогательные либо не работают вообще, либо загружены минимально. Прямо противоположную картину можно обнаружить в работе промысловых судов.
Номенклатура и динамические характеристики среднеоборотных дизелей СОД в составе главной и вспомогательной СДУ различных типов судов класса «река-море» с установленными демпфирующими устройствами приведены в таблице А.4 Приложения А.
Анализируя данные, предоставленные инспекциями PC и основными судовладельческими компаниями Волго-Каспийского бассейна, необходимо отметить, что основными демпфирующими устройствами в составе СДУ являются силиконовые демпферы (СД) КК, установленные на дизелях:
Из всей номенклатуры СД, установленных в составе СЭУ, большинство составляют демпферы серии В-790 (производитель STE, Германия) - 243 единицы (73,8%). СД фирмы HOLSET установлены на 62 дизелях (18,8%). 16 демпферов (4,9% ), установленных на СОД произведены фирмой GIESLINGER, Германия.
Фактическая наработка СД СЭУ судов может быть определена только по наработке дизеля, который эксплуатируется в ее составе. Данный параметр может быть оценен лишь по записям, имеющимся в судовых вахтенных журналах. Вся номенклатура СД с известной наработкой представлена в таблице А.5 Приложения А. В качестве оценочного параметра наработки используется не конкретное время эксплуатации демпфера, а интервал, так как для большинства СД и дизелей, на которых они установлены, данный период указан ориентировочно. Для некоторых типов судов, например пр. Ы3290, определен по среднегодовой наработке ГД, так как данных о наработке дизеля и СД на этих типах судов отсутствуют.
В таблице А.5 Приложения А вся номенклатура эксплуатируемых и выведенных из эксплуатации СД разбита условно на пять групп: I группа - СД, установленные в составе СЭУ и не отработавшие к данному моменту времени половины установленного срока (ресурса). Ориентировочно принимается временной интервал наработки равный Г-772, где Г- установленный срок (ресурс) демпфера. Так как заводы-производители ограничивают ресурс 20...30 тыс. ч работы демпфера, устанавливается верхняя граница для данной группы 10 тыс. ч. К данной группе демпферов относятся СД, количество которых в общем объеме установленных и действующих устройств не велико и составляет около 8%, причем на судах Волго-Каспийского бассейна в данную группу входят СД, произведенные фирмами STE, HOLSET и GEISLINGER. причем демпферы последней фирмы составляют около 40% от их общего числа. Следует учесть, что из ныне действующих СД данной фирмы все 16 единиц еще не отработали установленного ресурса. II группа СД, имеющих наработку, к настоящему времени не превышающую ресурс. Верхняя граница временного интервала для данной группы демпферов составляет 25 тыс. ч. К демпфирующим устройствам этой группы относятся СД, занимающие чуть более трети всего объема демпферов, причем значительная часть (43 из 62 единиц данной фирмы) принадлежит к семейству HOLSET. Более половины (68 из 121 единицы) составляют СД фирмы STE. III группа СД, выработавших свой ресурс, но не превысивших его вдвое: t 2T. Верхняя граница для данной группы составляет 50 тыс. ч. Для данной группы характерна установка в составе СЭУ преимущественно СД фирмы STE (122 из 134 единиц). Общее количество СД данной группы составляет около 40% от общего объема. IV группа СД, имеющих срок эксплуатации, превышающий установленный заводом-изготовителем ресурс более, чем вдвое. Количество данных демпферов не велико и составляет чуть больше 10% от общего количества. Основной тип СД данной группы - В-790 фирмы STE (более 90% от всех демпферов данной группы). V группа - группа СД, выведенных из эксплуатации независимо от того, отработал демпфер назначенный ресурс в составе СЭУ. Следует указать, что данная информация была предоставлена лишь одним судовладельцем (Представительством ОАО «Волжское нефтеналивное пароходство «ВОЛГОТАНКЕР» в Астрахани) и судостроительно-судоремонтным заводом им. Ленина (г. Астрахань), обслуживающего суда данного пароходства. Из известных на сегодня случаев замены СД на судах данного пароходства все замененные демпферы относятся к одной серии В-790 (фирма-производитель STE, Германия). За период с 1992 по 2000 гг. на ССЗ им. Ленина было произведено 14 замен демпферов данной серии, что подтверждено соответствующими актами. До 1992 г. тем же судовладельцем было произведена замена около 50 демпферов данной серии. Для данной группы СД указаны причины, по которым демпферы были заменены (таблица А.6 Приложения А). Таким образом, установлено, что большинство из ныне эксплуатируемых СД на судах Волго-Каспийского бассейна (169 из 329 единиц или 51% ) полностью выработало установленный ресурс, а 35 (10,2%) из них -превысили его вдвое. Еще 35,3%) (121 единица) СД достигают установленного срока (ресурса) в ближайшие годы.
Течение в кольцевых зазорах
. В силу малости величины зазоров (порядка 10" м), малости скоростей относительных перемещений корпуса и маховика, а также большой вязкости силиконовой жидкости числа Рейнольдса, рассчитанные по величине зазора, оказываются весьма малыми. Поэтому течение жидкости будем полагать ламинарным и независимым от угловой координаты (р в связи с относительно абсолютной жесткостью элементов, образующих пространство движения жидкости. Тогда система уравнении Навье-Стокса примет вид: v - кинематическая вязкость, м"/с. В силу малости зазоров при описании течения жидкости пренебрегаем взаимным влиянием течений в кольцевых и торцевых зазорах и не рассматриваем течение в угловых областях А (рис. 2.1). Течение в кольцевых зазорах рассматривается как плоское и независящее от осевой координаты z. Тогда компонента осевой скорости w исключается из рассмотрения, и уравнение Навье-Стокса и уравнение неразрывности упрощаются и принимают вид: Отсюда следует, что vr = cons/ при любом / . Тогда из граничных условий (2.4) следует, что скорость жидкости в радиальном направлении равна 0 (и = 0). Таким образом, движение частиц в кольцевом зазоре происходит по окружностям с центрами по оси z. Поэтому рассматриваемое течение будет характеризоваться только окружной скоростью. В этом случае система уравнений (2.3) сводится к одному уравнению: В этом уравнении и ниже индекс / = 1 соответствует наружному кольцевому зазору, / = 2 - внутреннему. Распределение давлений но высоте зазора не учитывается. Осуществляя преобразование Лапласа [37] по времени в уравнении (2.6) и условиях (2.7), получим для определения скорости жидкости задачу: (2.10) Линейно независимыми решениями этого уравнения являются функции [59]: Ii(z) - модифицированная функция Бесселя; Ki(z) - модифицированная функция Ханкеля. где Ah В/ - константы, подлежащие определению из фаничных условий (2.9). Подставив выражение для скорости (2.11), соответствующей внешнему кольцевому зазору (т.е. и/ (г)) в граничные условия (2.9), для определения Аіч Bj получим систему алгебраических уравнений: где обозначено у - (s/v)1". Решение этой системы имеет вид: Константы A2 и B2 для выражения скорости u2 (r) во внутреннем кольцевом зазоре определяются аналогичной системой алгебраических уравнений и имеют вид: Таким образом, определены значения скоростей жидкости в кольцевых зазорах при относительных колебаниях корпуса и маховика. Далее по формуле (2.8 ) определяются касательные напряжения а/ (г), действующие в жидкости в кольцевых зазорах. Искомые касательные напряжения представляются в виде: Здесь штрих означает производную по радиальной координате г. Вычисляя значения касательных напряжений на соответствующих поверхностях, получим действие вязких сил трения на корпус и маховик. Дальнейшее определение вязких сил трения на основе выражения для касательных напряжений (2.14) является затруднительным в аналитическом и вычислительном плане. Однако, учитывая геометрические и физические параметры изучаемого объекта выражение (2.14) можно упростить, используя асимтотические выражения для функций 1\(уг) и К\(уг) [53]. Это позволяет получить выражения пригодные для инженерных расчетов. Действительно, параметр s имеет смысл частоты колебаний. Примем, что он задается в пределах \s\ 100...200 1/с. Значение кинематической вязкости жидкости зададим в пределах v (1 ...50) 10"3 м2/с. Радиус примем в пределах г (0,1... 1) м. Подставляя эти значения в выражение z = yr = (s/v)m г, видим, что \уг\ » 1. а) А-=100 1/с, v = 50- 10"V/c, г = 0,1м. Тогда для больших по модулю значений аргумента функции I\(z), K\(z) Щ допускают асимтотическое представление [59]: /,( ) л/2л2 На элемент поверхности корпуса в наружном кольцевом зазоре R і d p действует в касательном направлении сила (T\ (R\)R\d(p, момент которой относительно оси вращения (оси z) равен сг, (R\)R{d(p. Во внутреннем кольцевом зазоре на корпус действует момент &i (r\)r\d(p.
Стенд испытаний и исследований демпферов судовых дизелей
Заводами-изготовителями регламентируется ресурс демпферов судовых дизелей в районе 25...30 тыс. ч. Большинство главных дизелей судов класса «река-море» либо приблизились к этому ресурсу, либо превысили его. В целях обеспечения безопасности мореплавания правила PC и РР обязывают судовладельческие компании и судоремонтные заводы, осуществляющие капитальный ремонт двигателей, заменять демпферы на новые или доказать, что демпферы находятся в работоспособном состоянии и им можег быть продлен ресурс.
Однако, замена демпферов на новые не всегда возможна в силу высокой стоимости или прекращения их производства. Одним из путей решения проблемы продления ресурса демпферов является проведение сравнительных испытаний новых и отработавших свой ресурс демпферов на специально созданных стендах. Исследования реальных энергетических установок связано с большими трудностями возникающими при их эксплуатации: большое количество систем, обслуживающих работу дизеля и валопроводи, значительное влияние внешних факторов воздействия (волнение, условия загрузки судна и т.д.), большие капитальные затраты на проведение эксперимента и конструкционную переналадку системы. Поэтому проблема создания испытательных стендов продолжает быть актуальной.
Известны механические стенды, в которых возбуждение КК осуществляется при помощи инерционных грузов, они описаны в работе В.В. Алексеева [1]. Однако, механические стенды имеют сравнительно низкий верхний предел возбуждаемых частот колебаний, что обусловливает необходимость перехода к электромеханическим стендам.
Наиболее перспективным является устройство моделирования работы силиконовых демпферов предложенное в нашей ранней работе с Д.В. Степановым. Оно содержит электродвигатель и генератор постоянного тока. Электродвигатель и генератор соединены с помощью вала и жестких фланцевых муфт, напрессованных на вал. Примерно в середине вала закрепляется исследуемый агрегат - СД. Колебания регистрируются механическим торсиографом системы Гейгера, который приводится в действие с помощью ременной передачи от вала к торсиографу. Недостатком данного устройства является: наличие ременной передачи механического торсиографа, узкий диапазон изменяемых частот вынужденных колебаний и амплитуд возмущающего момента, несоответствие компоновки стенда реальным судовым машинно-движительным комплексам (СМДК), а именно, силиконовый демпфер устанавливается в зонах малых амплитуд КК. Ц MTS разработан и изготовлен экспериментальный электромеханический стенд (стенд), моделирующий условия работы демпфера в составе СМДК.
Предварительно на этапе эскизной проработки конструкции стенда и определения необходимых его тактико-технических характеристик была произведена систематизация и обобщение результатов испытаний на крутильные колебания СМДК судов Волго-Каспийского региона, проведенные ИИ, MTS. За определяющие величины были приняты частоты одно- и двухузловых форм колебаний СМДК N и амплитуды А одноузловой формы колебаний носовых концов коленчатых валов главных двигателей. Объем выборки составлял 43 судна различного типа, класса и назначения. Результаты анализа представлены в виде гистограмм на рис. 3.1 и 3.2. з рис. 3.1 и 3.2 следует, что в рабочем диапазоне частот вращения (от 120 до 1500 об/мин) в СМДК развиваются КК с частотами N в диапазоне от 8,3 до 50 Гц при амплитудах А колебаний носовых концов коленчатых валов главных дизелей в диапазоне от 0,001 до 0,01 рад.
В качестве натурного СМДК использовалась довольно распространенная схема в составе: среднеоборотный дизель, СД, маховик, промежуточный вал, гребной вал, гребной винт, приведенная в Приложении А (табл. А1).
В основу моделирования были положены аналогия между крутильными схемами натурной установки и стенда и соблюдение природы возникновения колебаний в системах. Это достигается путем создания многомассовой дискретной колеблющейся системы, т.е. группы масс, обладающих соответствующими моментами инерции, и связанных между собой валами, обладающими податливостью.
На рис. 3.3 приведена схема электромеханического стенда для моделирования КК СМДК. На общем столе 1, который имеет шесть амортизационных опор, установлен электродвигатель постоянного тока 2 ирмы «Galvanotechnik». В диаметральной плоскости, но с другой стороны стола 1 устанавливается генератор постоянного тока 3 марки П22М101. Электродвигатель 2 и генератор 3 соединены с помощью вала 5 и жестких фланцевых муфт 8, напрессованных на вал 5. Вал 5 уложен в подшипники скольжения 6. Примерно на середине вала 5 напрессовывается жесткая фланцевая полумуфта, на которую устанавливается маховая масса 7. Исследуемый агрегат - модельный СД 9, закреплён на свободном конце электродвигателя 2 с помощью напрессованной на вал ротора электродвигателя полумуфты. На столе / также установлены электрический тахометр «ТЭСА» 4, тензометрический датчик-торсиограф 10, скоростная кинокамера СКС-1м 7/ и бесконтактная телеметрическая система английской фирмы «Astech Electronics» 12. Управляющий сигнал, подаваемый на электродвигатель 2 и генератор 3,
Натурные испытания силиконовых демпферов главных двигателей судов Волго-Каспийского бассейна и оценка их перспективной работоспособности
Для предотвращения поломок коленчатых валов судовых дизелей вследствие повышенных механических напряжений, вызванных КК, заводы-производители оборудуют их СД КК различных типов. При этом требованиями правил всех классификационных обществ, в том числе PC и РР [70,74], предусматривается проведение периодической проверки этих агрегатов.
Предпочтительным методом оценки работоспособности СД КК является торсиографирование и/или тензометрирование, которое имеет право производить специальные аккредитованные лаборатории (центры).
За пять лет существования, ИЦ MTS провел более сотни испытаний установок «двигатель-потребитель» на судах и заводских стендах, выдал соответствующие заключения и рекомендации об оценке ТС, возможности продления ресурса или выбраковке демпферов судовых дизелей. Накоплен обширный статистический материал по речным и морским судам.
Рассмотрим более подробно ряд случаев, представляющих особый интерес с нашей точки зрения.
Одним из специфических случаев является испытания, проведенные на сухогрузе проекта 1557 т/х «Вилламун» («Сормовский-8»), которые сравнивались с испытаниями головного судна серии т/х «Сормовский-40».
Машинно-движительный комплекс (МДК) судов данного проекта представляют собой двухвальные дизельные установки с двигателями фирмы «SKL» марки 6NVD48AU (6ЧРН32/48) (NH0M = 485 кВт, пном = 330 об/мин), оборудованные СД КК марки В-790, и прямой передачей мощности на винты фиксированного шага. Особенность МДК судна т/х «Вилламун» заключалась в том, что главные двигатели были произведены в 1967 году и в их конструкции завод-производитель на тот момент времени демпфера не предусматривал (они появились в более поздних модификациях). На рис. 4.5 приведен график развития напряжений в районе резонансов главных порядков, вызванных КК, в KB этих судов для валопроводов правого борта (графики для левого борта аналогичны и не приводятся).
Из рис. 4.5 видно, что, во-первых, резонансы системы с демпфером (т/х «Сормовский-40») смещены влево, т.к. система имеет более низкие частоты колебаний одно- и двухузловых форм. Во-вторых, напряжения от КК в лементах МДК в установке без демпфера существенно выше - в KB на резонансе одноузловой формы 6-го порядка в 3,21 раза, на резонансе двухузловой формы 12-го порядка в 1,48 раза и близки к допускаемым напряжениям (92% от допускаемых), которые регламентируются правилам PC, но не превышают последних. Таким образом, МДК судов данного проекта относятся к редкой группе установок, где еще на этапе проектирования методом варьирования параметрами крутильной схемы удалось избежать появления опасных резонансов КК в рабочем диапазоне частот вращения без применения демпфирующих устройств.
Выставление требований инспекторами PC о проверке работоспособности СД в подобных установках не рациональны и объясняются некоторой недоработкой существующих правил освидетельствования судов. Демпферы, поставляемые с двигателями, в таких установках можно не проверять. Многолетний опыт безаварийной ксплуатации судов проекта 1577 подтверждает приведенные выше экспериментальные данные.
В практике эксплуатации флота встречаются и противоположные случаи, когда демпфер, поставляемый с двигателем, не только необходим в установке, но и из-за тяжелых условий работы преждевременно выходит из строя. Характерным примером таких «проблемных» установок являются танкеры проекта 1677 и 1677М.
МДК судов данного проекта представляют собой двухвальные установки с дизель-редукторными агрегатами на основе двигателей марки Г74 (6ЧРН36/45) (N„0M =1150 кВт, пном = 500 об/мин) с передачей мощности на винты фиксированного шага. Несмотря на то, что в конструкции дизеля предусмотрен СД КК марки Г60-2500-1, установка имеет запретную зону для длительной работы 150-260 об/мин, назначенную с постройки.
При этом в эксплуатации наблюдаются характерные поломки KB двигателей: усталостный характер трещины, возникающей между 3-ми 4-м кривошипом в районе смазочного отверстия в узловой точке, выкрашивание зубьев 2-й ступени редуктора, выходы из строя демпферов. Например, анализ наполнителя демпфера главного двигателя правого борта судна т/х «Герой Волков» (проект 1677М) после его аварии в 1991 г. (поломка коленчатого вала) показал снижение вязкости наполнителя более чем на 30 % при значительном содержании механических примесей. Демпфер был заменен (по данным Тихоокеанской инспекции PC).
Проведенные испытания на судне т/х «Сайд Афанди» (проект 1677М) с целью проверки ТС СД показали, что суммарные напряжения от КК в KB главных двигателей, промежуточных и гребных валах валопроводов и в валах редукторной передачи не превышали допустимых величин во всем рабочем диапазоне частот вращения KB главных двигателей обоих бортов.
Однако, эластический момент в упругой муфте между двигателем и-редуктором на резонансе одноузловой формы 3-го порядка (215 об/мин) и резонансе двухузловой формы 9-го порядка (210 об/мин) превышал опускаемый момент для длительной работы (10000 Н-м), но не превышал допускаемого момента для быстрого прохода (40000 Н-м). Эластический момент на ведомой шестерне 2-го зацепления на резонансе одноузловой формы 3-го порядка (215 об/мин) не превышал допускаемых значений, но был больше среднего крутящего момента (4016 Н-м). Это указывало на перекладку зазоров в зацеплении и, как следствие, стуки в редукторе. Запретная зона для длительной работы была сохранены без изменений. Следует отметить что, наработка демпферов к моменту испытаний составляла всего лишь по 12000 часов.
Опишем еще один характерный пример, встречающийся в практике проведения торсиографирования, когда фактически по результатам испытаний СД выходит из строя, но его замены в некоторых случаях можно избежать путем наложения новых запретных зон в рабочем диапазоне частот вращения установки при условии, что напряжения возникающие в элементах МДК допустимы для быстрого прохода и не находятся в зонах номинальных, эксплуатационных и минимально-устойчивых частотах вращения установки. Эта мера иногда используется в качестве временной, в случаях когда отсутствует (или затруднена) возможность вывода из эксплуатации судна для ремонта.
В качестве примера приведем результаты испытаний рыбопромыслового судна «Капитан Евсеев» РМС типа «Каспий», выполненные с целью проверки ТС СД, наработавшего к моменту испытаний более 54000 часов (в 2,16 раза больше назначенного заводом-изготовителем ресурса). ДК судов данного проекта представляют собой одновальные дизельные установки с двигателям фирмы «SKL» марки 8NVD482U (8ЧНР32/48) (NH0M = 648 кВт, пном = 428 об/мин), оборудованный СД КК марки В-790, и прямой передачей мощности на винт фиксированного шага.
бработка результатов тензометрирования валовой линии показала (см. рис. 4.6), что суммарные напряжения от КК превышали допускаемые начения для гребного вала на резонансной частоте 190 об/мин (одноузловая форма, 4-й порядок), для промежуточного - были близки к допускаемым (более 80% от допускаемых). В диапазоне частот вращения 180-200 об/мин
