Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Судовая вибрация и защита от нее 7
1.1 Судовая энергетическая установка как основной источник общесудовой вибрации 7
1.2 Влияние судовой вибрации на организм человека и нормирование вибрации 10
1.3 Способы снижения уровней вибрации. Основы теории виброизоляции 13
1.4. Виброизолирующие подвески с корректорами жесткости. Типы корректоров жесткости 22
1.5 Выбор и обоснование типа электромагнитного компенсатора жесткости 28
1.6 Выводы. Постановка задачи и цели исследования 35
Глава 2 Основные характеристики нелинейного электромагнитного компенсатора жесткости 37
2.1 Упрощенное описание силовой характеристики нелинейного электромагнитного компенсатора жесткости 37
2.2 Гармоническая линеаризация электромагнитного компенсатора жесткости 43
2.3 Вывод закона регулирования напряжения нелинейной системы перестройки компенсатора жесткости 49
2.4 Вывод закона регулирования напряжения линейной системы перестройки компенсатора жесткости 55
2.5 Оценка влияния вихревых токов на характеристики электромагнитного компенсатора жесткости 61
2.6 Выводы 64
Глава 3 Синтез виброизолирующей подвески с нелинейным компенсатором жесткости и ее динамические свойства 66
3.1 Вывод суммарного закона изменения напряжения на электромагнитах при использовании нелинейной системы перестройки... 66
3.2 Математическое описание виброизолирующей подвески с автоматической системой перестройки 72
3.3 Проверка на наличие автоколебаний в виброизолирующей системе с нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости 80
3.4 Моделирование виброизолирующей подвески с нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости 94
3.5 Выводы 115
Глава 4 Экспериментальные исследования виброизолятора с нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости 117
4.1 Расчет основных параметров виброизолирующей подвески 117
4.2 Описание конструкции виброизолирующей подвески с электромагнитным компенсатором жесткости 126
4.3 Используемая аппаратура 133
4.4 Испытания виброизолирующей подвески без системы перестройки 136
4.5 Испытания виброизолирующей подвески с системой перестройки 144
4.6 Выводы 147
Заключение 148
Список литературы 151
Приложение А 162
Приложение Б 168
Приложение В 169
Приложение Г 194
- Влияние судовой вибрации на организм человека и нормирование вибрации
- Гармоническая линеаризация электромагнитного компенсатора жесткости
- Математическое описание виброизолирующей подвески с автоматической системой перестройки
- Описание конструкции виброизолирующей подвески с электромагнитным компенсатором жесткости
Введение к работе
Наблюдаемая в последние десятилетия тенденция уменьшения веса конструкций различных транспортных средств, при одновременном увеличении мощности их энергетических установок, приводит к значительному росту уровней вибраций на этих транспортных средствах. Вредное воздействие производственных вибраций заключается в том, что они, распространяясь, разрушают машины сооружения и конструкции, нарушают технологический процесс и искажают показания контрольно-измерительной аппаратуры. Особенно вредно вибрация влияет на организм человека. Наиболее сильно влияние вибрации ощутимо на судне, где основными источниками вибраций являются судовые энергетические установки (главный двигатель, дизель-генераторы), гребной винт, валопровод и некоторые производственные механизмы.
В настоящее время существует множество способов уменьшения вибрации — это динамическое уравновешивание двигателей, применение динамических гасителей колебаний, активные виброзащитные системы с дополнительным источником вибрации и т.д. Наиболее распространенным способом уменьшения передаваемой от судовых двигателей вибрации является установка этих двигателей на виброизоляторы. Виброизоляторы (как правило, резинометаллические) имеют простую конструкцию, достаточно надежны и практически не требуют обслуживания. Однако существующие пассивные виброизоляторы не отвечают современным требованиям виброизоляции. Наиболее перспективным методом снижения уровней вибраций на судах является применение виброизолирующих устройств с плавающим участком нулевой жесткости. Этот тип устройств наиболее полно отвечает требованиям идеальной виброизоляции.
В связи с вышесказанным, создание и исследование виброизолирующих систем с перестраивающимися компенсаторами жесткости является ак-
туальной научной задачей. Поэтому работа направлена на разработку конструкции и исследование виброизолирующей подвески с нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости.
Электромагнитный компенсатор жесткости полностью отвечает условиям идеальной виброизоляции. У такого компенсатора жесткости нет взаимодействующих частей, а, следовательно, нет сил трения и износа деталей. У него также отсутствуют промежуточные подвижные массы, следовательно, дополнительные силы инерции. Электромагнитный компенсатор жесткости может быть снабжен быстродействующей системой перестройки, перераспределяющей напряжение на электромагнитах при изменении нагрузки, что обеспечивает «плавание» участка нулевой жесткости на силовой характеристике виброизолятора.
Целью диссертационной работы является разработка конструкции эффективной виброизолирующей подвески с нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости, имеющим малые габариты, а также разработка методики исследования и расчета нелинейного электромагнитного компенсатора жесткости.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
представлены методы анализа и исследования нелинейного электромагнитного компенсатора жесткости;
проведена оценка влияния вихревых токов на работу электромагнитного компенсатора жесткости;
выведены коэффициенты гармонической линеаризации нелинейного электромагнитного компенсатора жесткости;
синтезированы регуляторы системы перестройки компенсатора жесткости;
разработана конструкция вйброизолирующей подвески с нелинейным компенсатором жесткости и системой перестройки;
приведены результаты экспериментальных исследований предложенной виброизолирующей подвески с нелинейным электромагнитным компен-
сатором жесткости.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Первая глава посвящена анализу вредного влияния вибрации и современному состоянию науки по виброзащите, а также вопросам конструирования и методам снижения вибрации на судах.
Во второй главе выведены основные характеристики нелинейного электромагнитного компенсатора жесткости.
В третьей главе проведено исследование виброизолирующей подвески с перестраивающимся электромагнитным компенсатором жесткости как нелинейной системы автоматического регулирования.
В четвертой главе приведена методика проектирования и расчета виброизолирующей подвески с нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости, приведен пример расчета виброизолятора. Приведены результаты экспериментальных исследований виброизолятора с нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости и линейной системой перестройки.
На защиту выносится следующие положения:
Конструкция виброизолятора с имеющим малые габариты нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости, обеспечивающая эффективную виброзащиту в диапазоне низких частот.
Методика расчёта параметров нелинейного электромагнитного компенсатора жесткости, учитывающая режимы перестройки виброзащитной системы на изменяющуюся нагрузку.
Методика проектирования регуляторов различного типа, обеспечивающих перестройку виброизолятора на изменяющуюся нагрузку.
Влияние судовой вибрации на организм человека и нормирование вибрации
Многочисленные исследования показали, что трудовая деятельность плавсостава протекает в условиях комплексного воздействия шума и вибрации. Близкое расположение на судах производственных и служебных объектов от жилых и бытовых помещений приводит к тому, что шум и вибрация оказывают влияние на людей не только в процессе работы, но и в период всего пребывания на борту судна на протяжении многих месяцев [71]. Вибрация воспринимается при непосредственном соприкосновении с вибрирующим телом или через другие твердые тела, соприкасающиеся с ним.
Вибрация отрицательно влияет на работоспособность человека, нарушая его восприятие и оценку времени, вызывая нарушение координации движения, головную боль, потерю чувствительности (болевая, температурная и т.д.), снижая скорость переработки информации на 40 процентов. Ко лебания в интервале частот от 1 до 30 Гц, которые являются преобладающими в спектре общесудовой вибрации, оказывают наиболее неблагоприятное влияние на человека, так как они вызывают различные резонансные явления в организме. Резонанс человеческого тела, отдельных его органов наступает под действием внешних сил при совпадении собственных частот колебаний внутренних органов с частотами внешних сил. Для органов, расположенных в грудной клетке и брюшной полости, резонансными являются частоты от 3 до 3,5 Гц. Для всего тела в положении сидя резонанс наступает на частотах от 4 до 6 Гц. Область резонанса для головы в положении сидя при вертикальных вибрациях располагается в зоне от 20 до 30 Гц, при горизонтальных - от 1,5 до 2 Гц.
Исследования показывали, что расстройства двигательной функции, возникающие под воздействием вибрации, обусловлены как нарушениями регуляторных воздействий центральной нервной системы, так и непосредственным поражением мышц с их непосредственной травматизацией.
В [39, 91] рассматривают вибрацию как сильный стресс-фактор, оказывающий отрицательное влияние на умственную деятельность человека и повышающий вероятность возникновения несчастных случаев. Согласно действующему ГОСТ 12.1.012-2004 «Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования», необходимо отметить, что частота заболеваний определяется величиной дозы и временем воздействия. Длительное влияние общесудовой вибрации приводит к стойким патологическим нарушениям в организме человека. Всесторонний анализ этого патологического процесса послужил основанием для выделения его в качестве самостоятельной определенной формы профессионального заболевания - вибрационной болезни [71].
К факторам производственной среды, усугубляющим вредное воздействие вибраций на организм, относятся чрезмерные мышечные нагрузки, неблагоприятные микроклиматические условия, особенно пониженная температура, шум высокой интенсивности. Охлаждение и смачивание рук зна чительно повышают риск развития вибрационной болезни за счет усиления сосудистых реакций. При совместном действии шума и вибрации наблюдается взаимное усиление эффекта в результате его суммации.
В основе профилактики вибрационной болезни лежит гигиенически обоснованное нормирование уровней вибрации [10, 20]. При гигиенической оценке вибраций нормируемыми параметрами являются средние квадратичные значения виброскорости или виброускорения [56, 84]. В Российской Федерации уровни вибрации на судах регламентируются санитарным законодательством СанПиН 2.5.2-703-98 «Суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания».
Основными нормативными правовыми актами, регламентирующими параметры производственных вибраций, являются «Санитарные нормы и правила при работе с машинами и оборудованием, создающими локальную вибрацию, передающуюся на руки работающих» № 3041-84 и «Санитарные нормы вибрации рабочих мест» № 3044-84.
Нормируемые значения уровней судовой вибрации на рабочих местах задаются с учетом воздействия вибрации в течение восьмичасового рабочего дня, например ГОСТ 12.1.012-2004 «Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования» на допустимые вибрации на рабочих местах при обслуживании дизеля и ГОСТ 12.1.003-83 «Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности» на допустимые уровни шума на рабочих местах при обслуживании дизеля, а также регламентируются ГОСТ 12.1.012-2004 «Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования». На судах обязаны не реже одного раза в год выполнять контрольные измерения вибрации.
В соответствии с вышесказанным, можно сделать вывод, что именно общесудовая вибрация особенно вредно влияет на человека, вызывая различные резонансные явления в организме. В настоящее время около 40 государственных стандартов регламентируют технические требования к виб рационным машинам и оборудованию, системам виброзащиты, методам измерения и оценки параметров вибрации на судах.
Гармоническая линеаризация электромагнитного компенсатора жесткости
Предложенный в предыдущем параграфе способ гармонической линеаризации аппроксимированной нелинейности неудобен тем, что вывод уравнений самой нелинейности требует дополнительных расчетов. При этом для вывода этого уравнения все равно требуется точная характеристика компенсатора. Может оказаться, что гармоническая линеаризация точной характеристики компенсатора жесткости может быть осуществлена проще, чем аппроксимированной характеристики. Линеаризуем компенсатор, описываемый уравнением (2.1).
Графики зависимости коэффициента гармонической линеаризации q от амплитуды колебаний а для этого случая, а также для случая линеаризации аппроксимированной характеристики компенсатора, приведены на рисунке 2.3. Видно, что зависимость, полученная для аппроксимированной характеристики, идентична зависимости, полученной точной характеристики компенсатора жесткости. Сравнивая эти две характеристики, можно отметить, что при анализе и моделировании виброизолирующей подвески с электромагнитным компенсатором можно пользоваться и точной и аппроксимированной характеристиками. Практика показывает, что для непосредственного вычисления коэффициента гармонической линеаризации удобнее пользоваться зависимостью (2.24), полученной для точной характеристики электромагнитного компенсатора жесткости. Однако в некоторых моделирующих программах компенсатор проще представлять уравнением аппроксимированной характеристики (2.4). 2.3 Вывод закона регулирования напряжения нелинейной системы перестройки компенсатора жесткости
В главе 1 говорилось, что при изменении силы взаимодействия между вибрирующим и защищаемым объектами необходимо перераспределение напряжений на катушках электромагнитов корректора, что обеспечивает «плавание» участка нулевой жёсткости при изменяющейся нагрузке, действующей на виброизолятор. Для вывода закона перераспределения напряжения на катушках нелинейного корректора, воспользуемся выражением силовой характеристики (1.13), приведенным в главе 1. Ее вид показан на рисунке 1.5. Уравнение жесткости этой силовой характеристики компенсатора (1.14) также приведено в главе 1.
Характеристики компенсатора жесткости При выводе закона будем считать, что характеристика корректора при изменяющемся напряжении на катушках будет сохранять наклон рабочего участка, то есть, жёсткость корректора при любом значении внешней нагрузки остаётся неизменной. На рисунке 2.4 приведены характеристики корректора жёсткости при двух значениях нагрузки.
При этом принято, что рабочий участок находится в районе пересечения характеристикой оси перемещения JC.
Как видно из рисунка 2.5, при изменении положения вибрирующего объекта относительно защищаемого необходимо напряжение на одном электромагните увеличить, а на другом уменьшить. Закон изменения напряжений представлен выражениями системы (2.40). Вывод закона регулирования напряжения линейной системы перестройки компенсатора жесткости
В предыдущем параграфе получен закон изменения (2.40) на первом и втором электромагнитах при изменении нагрузки. Полученный закон изменения напряжения нелинейный и его довольно сложно практически реали зовать. Поэтому попытаемся получить линейный закон изменения напряжения на обоих электромагнитах.
Математическое описание виброизолирующей подвески с автоматической системой перестройки
Система перестройки электромагнитного компенсатора жесткости представляет собой регулятор, отслеживающий относительное положение вибрирующего и защищаемого объектов, и электромагниты с изменяющимися напряжениями на катушках. Регулятор состоит из датчика относительного перемещения объектов и усилителя напряжений. Регулятор может быть как линейным, так и нелинейным. При использовании линейного регулятора система может оказаться проще, ее свойства не будут меняться при изменении режимов работы. В системе с нелинейным регулятором передача динамических усилий теоретически может быть исключена почти полностью, однако в этом случае может возникнуть необходимость в проведении специальных мероприятий по исключению нежелательных явлений, характерных для нелинейных систем. В данной работе рассмотрим оба варианта систем перестройки.
Рассмотрим случай системы перестройки с линейным регулятором. Дифференциальное уравнение виброизолирующей подвески с линейным регулятором системы перестройки получается аналогичным уравнению виброизолирующей подвески с нелинейным регулятором (3.27).
И в этом случае система перестройки описывается дифференциальным уравнением второго порядка. Из полученного уравнения видно, что при выборе системы перестройки с линейным регулятором виброизолирующая подвеска описывается дифференциальным уравнением четвертого порядка, так же, как при выборе системы перестройки с нелинейным регулятором.
Так как система в любом случае описывается уравнением более высокого, чем второй, порядка, необходима проверка этой системы на устойчивость. Виброизолирующая система представляет собой замкнутую систему, которую можно рассматривать, как систему автоматического регулирования. В автоматике устойчивость принято оценивать так называемыми кри тернями устойчивости. Одним из критериев (алгебраический критерий устойчивости Гурвица) устойчивость системы определяется по коэффициентам характеристического уравнения.
Система устойчива, если все коэффициенты характеристического уравнения положительны (или отрицательны), и если все они больше нуля. Однако условие идеальной виброизоляции заключаются в том, что жесткость компенсатора должна быть равна жесткости пружины. Так как в характеристических уравнениях (3.34) и (3.35) в коэффициенте при Л присутствуют жесткость пружины с и жесткость компенсатора [А-х +С-х), то этот коэффициент, согласно условиям идеальной виброизоляции, должен быть равен нулю. В этом случае система является структурно неустойчивой. Для исключения этого в систему вводят корректирующие звенья. В контур системы перестройки более эффективно ввести корректирующее звено, имеющее вторую степень производной. В дальнейшем в контур системы перестройки введем корректирующее звено, описывающееся дифференциальным уравнением.
Решение полученных дифференциальных уравнений виброизолирующей подвески с нелинейным и линейным регуляторами (3.31) и (3.33) позволит оценить статические и динамические свойства всей системы.
Из дифференциальных уравнений (3.31) и (3.33), видно, что в уравнениях виброизолирующих подвесок и с линейным и с нелинейным регуляторами присутствует нелинейность, обусловленная нелинейностью статической характеристики компенсатора жесткости. В нелинейных могут возникнуть автоколебания, амплитуда и частота которых зависят только от параметров самой системы и не зависят от возмущающих сил. Для оценки возможности возникновения таких режимов, а также их параметров (если автоколебания имеют место), воспользуемся одним из методов определения автоколебаний, применяемых в автоматике. Поскольку характеристические уравнения виброизолирующих подвесок с линейным и нелинейным регуляторами имеют четвертый порядок, то можно использовать только приближенные методы определения режима автоколебаний, например, метод гармонической линеаризации [83].
Выполним определение автоколебаний алгебраическим способом на основе гармонической линеаризации нелинейности. Согласно этому методу, нелинейность заменяется на гармонически линеаризованное звено с коэффициентом гармонической линеаризации д. Нелинейность компенсатора жесткости заменяется коэффициентом гармонической линеаризации (2.24), определенным во второй главе. При этом для нелинейной зависимости изменения напряжения примем коэффициент гармонической линеаризации компенсатора жесткости с поправочным коэффициентом, так как обе нелинейности одного типа.
Описание конструкции виброизолирующей подвески с электромагнитным компенсатором жесткости
В состав виброизолирующей подвески входит датчик перемещений, отслеживающий положение защищаемого объекта относительно вибрирующего основания, сигналы с выхода которого поступают в систему регулирования напряжения, подаваемого на электромагниты. При испытании макета желательно использовать наиболее дешевый датчик. К таким датчикам относятся: индуктивный, емкостной, индукционный, потенциометриче-ский, тензометрический. Применение индуктивного датчика затруднено тем, что он работает только на переменном токе, имеет сравнительно малую чувствительность, создает значительное обратное воздействие на измеряемую величину (эффект электромагнита), его индуктивного сопротивления зависит от частоты питающего напряжения. Использование емкостного датчика также невозможно из-за относительной сложности устройства, необходимости в источнике повышенной частоты и влияния внешних электрических полей.
Этих недостатков лишены потенциометрические датчики перемещений, но наличие подвижного контакта исключает их использование в устройствах с постоянной вибрацией из-за низкой надежности и ограниченного срока службы. Наиболее приемлемым в таких системах является тензометрический датчик [7, 18, 93], который и был использован в макете виброизолятора. Принцип действия тензометрического датчика основан на изменении омического сопротивления при упругих деформациях. Изменение сопротивления проводника объясняется 2 факторами: изменением геометрических размеров и изменением удельного сопротивления материала при деформации.
Выводы тензорезисторов соединялись по балансной схеме (рисунок 4.5), перемещением подвижного реохорда Rp определяется положение баланса (по нулевому положению индикатора И). Общий вид тензорезистора показан на рисунке 4.6. Тензоризистор представляет собой проволочную решетку из ряда петель 1, укрепленную на подложке 2; к концам решетки припаяны выводы 3, с помощью которых тензорезистор подключается в измерительную схему. Четыре тензорезистора приклеены к ленточной стальной пластине 65Г-Т-С-Н-0Д ГОСТ2283-79. Тензодатчик представляет собой тонкую пластину с наклеенными тензорезисторами КТЭ-7А и КТД-7А. Его внешний вид и установка на виброизоляторе показаны на рисунках 4.7 - 4.9.
Для обеспечения плавания участка нулевой жесткости при изменении усилий, передаваемых от защищаемого объекта вибрирующему, электромагнитный компенсатор жесткости снабжен системой перестройки. Электрическая схема выполнена в виде платы навесным монтажом. Плата системы перестройки приведена на рисунке 4.11. Электрический монтаж системы перестройки выполнен на заготовке печатной платы, изготовленной из стеклотекстолита СФ-2Н-35Г-1,5 ГОСТ 10316-78.
Регулятором вибрации через пульт управления задается амплитуда перемещений вибростенд при определенной частоте. На вибростенде закреплено вибрирующее основание. Изменение положения вибрирующего основания относительно защищаемого отслеживает тензодатчик, передающий сигнал на систему перестройки, которая, в свою очередь, перераспределяет напряжение на электромагнитах. Параметры колебаний регистрируются акселерометрами, закрепленными на вибрирующем и защищаемом основаниях. Электрические сигналы акселерометров усиливаются предусилителем типа 2626. Амплитуды усиленных электрических сигналов измеряются с помощью прибора 2425.
