Введение к работе
Актуальность исследования.
В настоящее время дизели используются в качестве главных двигателей в составе судовых
энергетических установок для большинства судов мирового флота. Главные двигатели вместе с
валами машинно - движительного комплекса судна образуют упругую систему, которая передает
переменный крутящий момент, определяющий изменяющуюся деформацию скручивания в
различных сечениях валов. Элементы валопровода в плоскости вращения испытывают
знакопеременные смещения, называемые крутильными колебаниями (КК). Согласно ГОСТ Р ИСО
3046-5-2004, КК определяются как: «колебательные угловые деформации (скручивание)
валопровода при вращении». Развитие КК может привести к повышенному износу и разрушению
коленчатых валов дизелей, разрушению гребных и других видов валов, ослаблению болтовых
соединений, уплотнений, ослаблению и срезу шпоночных соединений, повреждению
соединительных муфт. Все надзорные органы, входящие в Международную ассоциацию
классификационных обществ (МАКО, International Association of Classification Societies, IACS)
имеют требования по расчету и испытаниям на КК судовых машинно – движительных
комплексов. Универсальное решение проблемы снижения опасных амплитуд КК сложно найти из
- за многообразия схем машинно – движительных комплексов судов и условий их работы.
Опасные амплитуды КК снижают при помощи антивибраторов и демпферов, при этом, в
большинстве случаев на главные судовые двигатели устанавливают жидкостные демпферы с
силиконовыми наполнителями. Современные демпферы изготавливаются фирмами
производителями сериями в виде размерных рядов. Среди производителей демпферов для судовых дизелей ведущими являются «STE – Schwingungstechnik» (Германия), «Holset» (Великобритания), «Geislinger» (Германия), «Hasse&Wrede» (Германия).
Демпферы с силиконовыми жидкостями просты по конструкции и в эксплуатации, надежны в работе, долговечны, например, демпферы фирм «Hasse&Wrede», «Geislinger», «STE – Schwingungstechnik» имеют гарантированный срок службы 30000 часов работы, поэтому широко применяются в судовых дизелях. Недостатком силиконовых демпферов является нелинейная зависимость коэффициента демпфирования от скорости движения маховика относительно ступицы демпфера. Демпфер должен эффективно снижать амплитуды КК, превышающие допустимые при опасных резонансах, но, если таких резонансов несколько, то требуется назначать запретные зоны для главного двигателя, поскольку демпфер (согласно исследованиям П.А. Истомина, В.В. Алексеева и других специалистов) не может одинаково эффективно работать на всех частотах колебаний, что также подтверждают исследования, проведенные автором в составе испытательного центра «Marine Technology Service» на судах «Вепрь», «Сильвер Ловенна», «Альтаир» и других, рассмотренных более подробно в диссертационной работе. Согласно исследованиям Ефремова Л.В., КК даже нерезонансных составляющих для судовых установок со средними и высокооборотными двигателями, в том числе, входящих в состав дизель – редукторных агрегатов, могут привести к возникновению недопустимых напряжений.
Дополнительно отметим, что амплитуду КК и частоту колебаний может изменить неравномерность подачи топлива в двигатель по отдельным цилиндрам, что подтверждают испытания на судне «Вилга», также проведенные автором в составе испытательного центра «Marine Technology Service» и рассмотренные более подробно в диссертационной работе.
Эти актуальные проблемы можно устранить при помощи демпфера, характеристики которого можно изменять в процессе эксплуатации. Одним из вариантов создания такого демпфера является использование в качестве наполнителя жидкость, вязкостью которой можно управлять.
Цель и задачи работы.
Цель работы: оценка возможности применения магнитных жидкостей в демпферах КК судовых дизелей для создания демпферов с управляемыми характеристиками (управляемых демпферов).
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
1. В результате анализа конструкций демпфирующих устройств разработана модель
демпфера для применения магнитной жидкости в качестве наполнителя.
2. Выбран тип и марка магнитной жидкости с изменяемой вязкостью.
3. Проведены расчеты для определения степени снижения амплитуды КК в зависимости от
вязкости магнитной жидкости.
4. Разработана конструкция экспериментальной установки для создания внешнего
магнитного поля, воздействующего на магнитную жидкость в демпфере.
5. Проведен эксперимент по определению степени снижения амплитуды КК в зависимости
от вязкости магнитной жидкости наполнителя демпфера и дана оценка соответствия его
результатов расчетам.
6. Сделаны выводы о применимости магнитных жидкостей в реальных демпферах КК
машинно – движительных комплексов судов.
Основание для разработки.
Исследование проведено в рамках плана научно - исследовательских работ подразделений Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Астраханский государственный технический университет»: кафедра «Эксплуатация водного транспорта», испытательный центр «Marine Technology Service», научно – исследовательская лаборатория «Ретрофит технологий на транспорте».
Объект исследований.
Демпфер КК машинно - движительных комплексов судов с наполнителем из магнитной жидкости.
Предмет исследований.
Процессы гашения КК в машинно – движительных комплексах судов с использованием демпферов с магнитными жидкостями.
Методология и методы исследования.
Диссертация основана на теоретическом научном подходе математического
моделирования КК в судовых валопроводах с прямой экспериментальной проверкой. Применялся
численный и физический эксперимент. Научной базой диссертации являются исследования
ученых: Лурье И.А., Терских В.П., Ефремова Л.В, Истомина П.А, Румба В.К., Wilson W. Ker,
Hafner K.E. и других, методики зарубежных компаний – производителей демпферов
«Hasse&Wrede», «Geislinger», «STE – Schwingungstechnik», расчетные методики Российского
Морского Регистра Судоходства (РМРС), Российского Речного Регистра (РРР) и других
классификационных обществ, в том числе и зарубежных. Обработка экспериментальных данных
произведены с использованием современных программ для ЭВМ «Astech Electronics»
(Великобритания), «Microsoft Office», а также программы обработки результатов
торсиографирования судовых валопроводов, разработанной автором совместно с к.т.н. Глуховым А.Н. и Каденом А.С. (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2016617759, дата регистрации 14.07.2016 г.). В работе использовались разработки испытательного центра «Marine Technology Service», в котором автор работает в качестве инженера – технолога экспертной группы, а также, результаты торсиографирования реальных судов, включая отчеты по научно – исследовательским работам (НИР) испытательного центра «Marine Technology Service». Эксперименты проводились на лабораторном стенде испытательного центра «Marine Technology Service».
Степень достоверности результатов исследования достигается:
- применением общепринятых и ранее апробированных методов расчета КК Терских В.П.,
Истомина П.А., Алексеева В.В. и других специалистов;
- применением современных, сертифицированных, поверенных средств измерения и
регистрации параметров КК, в частности, тензометрической системой «Astech Electroincs»
(Великобритания);
- удовлетворительным совпадением результатов расчетов с экспериментальными данными;
- применением современных программ для проведения расчетных и экспериментальных
исследований.
Научная новизна:
1. Получены новые данные по результатам торсиографирования судов Волго-Каспийского
региона с разнообразными схемами машинно-движительных комплексов, которые позволили:
- доказать вероятность возникновения нескольких опасных зон для работы главных
двигателей от КК (например, для танкера «Альтаир» проекта 1677Т) при исправных демпферах
крутильных колебаний;
- доказать на примере танкера «Вилга» проекта 621.1, что нарушение работы
топливоподачи в главных двигателях приводит к увеличению амплитуды и смещению частоты
КК;
- доказать, что при исправных демпферах КК для некоторых судов («Расул Гамзатов»
проект 19610, «Омский-207» проект А-1743.7, «Флестина-2» проект 326.1, «Блю-Спринтер»
проект 292) величина напряжений от КК в элементах валопровода может превышать 70% от
допускаемых по правилам РМРС, что, при наличии, например, штормовых условий, может
привести к превышению допускаемых напряжений.
2. Получены расчетные и экспериментальные данные для применения магнитных
жидкостей в качестве наполнителей в демпферах КК, которые позволили оценить возможность
создания универсального управляемого демпфера крутильных колебаний;
3. Впервые для стенда испытательного центра «Marine Technology Service» произведена
адаптация математической модели расчета амплитуды КК, применяемой ранее в работах П.А.
Истомина и В.В. Алексеева. Адаптация заключалась в учете возмущающих и демпфирующих
моментов, создаваемых элементами стенда - электродвигателем постоянного тока GGBS
(мощностью 2,2 кВт) и генератором постоянного тока П-22 (мощностью 0,95 кВт);
-
Получены значения напряжений в валах испытательного стенда от КК при использовании модельного демпфера с магнитной жидкостью при ее различной вязкости;
-
Разработана программа и получено свидетельство о регистрации на программу обработки результатов торсиографирования судовых валопроводов, разработанной автором совместно с к.т.н. Глуховым А.Н. и Каденом А.С. (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2016617759, зарегистрировано 14.07.2016 год;
6. Получен патент на полезную модель №46322 «Гидравлический демпфер» (авторы
Покусаев М.Н., Глухов А.Н., Горбачев М.М., Сибряев К.О.).
На защиту выносятся:
1. Модельный демпфер КК с магнитной жидкостью – наполнителем;
2. Материалы теоретических и практических исследований: математическая модель
экспериментального стенда с демпфером с магнитной жидкостью и результаты расчетов;
результаты экспериментов применения магнитной жидкости в демпфере КК с воздействием на нее
внешнего магнитного поля.
Практическая значимость:
-
Получены практические результаты применения магнитной жидкости МЖ-131 в модельном демпфере КК стенда испытательного центра «Marine Technology Service»;
-
Результаты исследований (математическая модель, патент на полезную модель, программа для обработки результатов торсифографирования) могут быть использованы для дальнейшей разработки управляемого демпфера КК судовых ДВС;
-
Управляемый демпфер КК с магнитной жидкостью позволит снижать амплитуды КК на различных частотах колебаний;
-
Управляемый демпфер КК с магнитной жидкостью позволит уменьшить модельный ряд выпускаемых в настоящее время силиконовых демпферов.
Личный вклад автора:
Постановка задач исследования; проведение анализа современного состояния разработок в области исследования; разработка конструкции модельного демпфера с магнитной жидкостью; проектирование и монтаж установки для создания внешнего магнитного поля; участие в исследованиях КК, проводимых испытательным центром «Marine Technology Service»; выполнение расчетных и физических экспериментов; обработка и анализ полученных результатов работы.
При проведении отдельных работ помощь оказали сотрудники кафедры «Эксплуатация водного транспорта», испытательного центра «Marine Technology Service» и других кафедр ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет» за что автор выражает им признательность. Доля авторского участия в работах, опубликованных в соавторстве, отражена в диссертации и составляет: [6, 8, 9] – 100%; [1, 2, 7, 11, 12, 13] – 50%; [3, 4, 15] – 35%; [5, 14, 16, 17] – 25%.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, вузовских конференциях и семинарах: научная конференция «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» 2002 год; научная конференция «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» 2004 год; V сессия научного совета РАН по механике деформируемого твердого тела 2011 год; ежегодных научно - технических конференциях профессорско - преподавательского состава АГТУ (2010 - 2017 годов); международная научно - практическая конференция «Материалы и методы инновационных исследований и разработок» (г. Екатеринбург) 2017 год; международная научно - практическая конференция «Современный взгляд на будущее науки» (г. Казань) 2017 год; международная научно – практическая конференция «Технические науки – от теории к практике» (г. Санкт -Петербург) 2017 год; заседаниях Ученого совета института «Морских технологий, энергетики и транспорта» АГТУ; заседаниях кафедры «Эксплуатация водного транспорта» АГТУ; материалы диссертации использовались при работе над заявкой №С1-23455 на грант «Фонд содействия инновациям» «СТАРТ - 1» и соответствующем докладе комиссии фонда при представлении заявки в 2016 году.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, включая 5 статей в рецензируемых российских научных журналах, входящих в перечень ВАК, получены 1 Патент РФ на полезную модель и 1 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 8 статей и тезисов в сборниках трудов российских и международных конференций и научных трудов высших учебных заведений, 2 статьи в других изданиях.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 132 наименований. Общий объем диссертации составляет 146 стр., включая 22 рисунка и диаграммы, 22 таблицы, пять приложений.
Содержание диссертации соответствует пункту 2.5 паспорта научной специальности 05.08.05 в части - надежность, экономичность, функциональные, эргономические и технологические характеристики, диагностика и техническое обслуживание СЭУ и их элементов. Обеспечение безопасности функционирования СЭУ и защита окружающей среды.