Создание пружинного демпфера крутильных колебаний с листовыми рессорами с лучшей демпфирующей способностью судовой двигательной установки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ибадуллаев Адель Дамирович

• Ибадуллаев Адель Дамирович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Ибадуллаев Адель Дамирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРУЖИННЫХ ДЕМПФЕРОВ 15 КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

1.1 Анализ конструкции и принципа действия пружинных демпферов

1.2 Особенности применения пружинных демпферов в судовых 31 двигательных установках современных проектов судов

1.3 Анализ нормативной документации и правил классификационных 43 обществ

1.3.1 Требования отечественных классификационных обществ

1.3.2 Требования зарубежных классификационных обществ

1.4 Преимущества и недостатки применения пружинных демпферов в 49 судовых двигательных установках

1.5 Выводы по первой главе

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРУЖИННОГО 54 ДЕМПФЕРА

2.1 Анализ существующих математических моделей для описания 54 работы пружинного демпфера

2.2 Алгоритм выбора пружинного демпфера из готового модельного 65 ряда для судовой двигательной установки

2.3 Методика определения конструктивных и эффективных 67 характеристик пружинного демпфера с использованием теории динамического поглотителя колебаний

2.4 Выводы по второй главе

3 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРУЖИННОГО ДЕМПФЕРА- 76 ПРОТОТИПА

3.1 Применение технологии реверс-инжиниринга по серийному 76 образцу пружинного демпфера модели D90/37 фирмы «Dr. Geislinger &

Co. Schwingungstechnik GmbH»

3.2 Методика создания пружинного демпфера с листовыми рессорами

3.3 Разработка конструкторской документации на пружинный 101 демпфер-прототип

3.4 Моделирование процесса работы пружинного демпфера-прототипа

3.5 Выводы по третьей главе 114 4 ИСПЫТАНИЯ ПРУЖИННОГО ДЕМПФЕРА-ПРОТОТИПА

4.1 Дооборудование лабораторного стенда Испытательного центра 116 "Marine Technology Service" для работы пружинного демпфера-прототипа

4.1.1 Система подачи рабочей жидкости (изготовление, монтаж, 116 тестирование), контрольно-измерительные приборы

4.2 Исследование крутильных колебаний при установке пружинного и

силиконового демпфера в составе лабораторного стенда

4.3 Влияние технического состояния пружинного демпфера на развитие крутильных колебаний в валах стенда

4.4 Оценка достоверности и погрешностей результатов измерений

4.5 Оценка параметров крутильных колебаний при изменении технического состояния пружинного демпфера

4.6 Исследование влияния технического состояния силиконового демпфера на развитие крутильных колебаний

4.7 Оценка эффективности пружинного и силиконового демпфера при установке в состав лабораторного стенда

4.8 Оценка тепловой мощности пружинного демпфера-прототипа

4.9 Выводы по четвертой главе 152 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Письма-запросы о научно-техническом сотрудничестве

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Принципиальное одобрение («Approval in principle») технической документации по разработке отечественного пружинного демпфера крутильных колебаний в ФАУ «РМРС» ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акты внедрения разработки

157

181

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание пружинного демпфера крутильных колебаний с листовыми рессорами с лучшей демпфирующей способностью судовой двигательной установки»

Актуальность темы исследования

В судовых двигательных установках (СДУ), помимо традиционных силиконовых демпферов, используются и демпферы упруго-фрикционные, в большинстве своем имеющие в качестве основного упругого элемента листовые рессоры или гильзовые пружины. В Правилах ФАУ «Российский морской регистр судоходства» (РМРС) упруго-фрикционные демпферы обозначаются как пружинные демпферы крутильных колебаний (ПД), поэтому далее в диссертационной работе принят данный термин.

В настоящее время РФ имеет существенную зависимость от западных технологий в области создания и технической эксплуатации ПД по ряду причин:

1. До начала введения международно-правовых санкций была возможность приобретения ПД за рубежом. На сегодняшний день все поставки ведущих зарубежных фирм-производителей ПД, в том числе и для СДУ, в РФ прекращены

[1-4].

2. Насущная потребность ведущих двигателестроительных и профильных организаций морской индустрии РФ в создании отечественных ПД, что подтверждается письмами-запросами о научно-техническом сотрудничестве [п. 1 «Основание для разработки»].

3. Диагностика технического состояния ПД, находящихся в эксплуатации, проводилась исключительно иностранными специалистами фирм-производителей, что сегодня является практически невозможным. Эта политика явно демонстрируется на примере крупнейшей австрийской фирмы «Dr. Geislinger & Co. Schwingungstechnik GmbH» («Geislinger»), поставлявшей существенную долю ПД для СДУ отечественного флота [5-12].

4. Отсутствие в России сети испытательных (сервисных) центров по техническому обслуживанию и ремонту ПД зарубежного производства [6].

5. В России наблюдается недостаток инженеров в области создания и технической эксплуатации ПД [13-16].

С научной точки зрения актуальность исследования подтверждается следующими фактами:

1. Отсутствие методологии создания ПД в отечественном машиностроении.

2. Отсутствие методики безразборной диагностики технического состояния и определения остаточного ресурса ПД в правилах классификационных обществ РМРС [17-19] и ФАУ «Российское классификационное общество» (РКО) [20-22].

3. Усложнение СДУ современных судов с применением редукторов, мультипликаторов, винто-рулевых колонок, приводящее к возникновению сложных форм крутильных колебаний, что подтверждается статистикой распределения по количеству опасных их форм для типовых проектов судов Волго-Каспийского бассейна (примерами являются оффшорные суда типа «Светлый»: Когалым, Лангепас, Взморье), приведенной в исследованиях ИЦ «MTS» ФГБОУ ВО «АГТУ» (свидетельство о признании РМРС № 24.03.02.05546.141 от 07.11.2024, РКО № 10848 от 28.04.2025), согласно которой 15% судов имеют 3 формы крутильных колебаний, 6% - 4 формы, 3% - 9 форм [23-24].

Исследование соответствует требованиям нормативно-правовых документов: стратегии развития судостроительной промышленности на период до 2035 г. (распоряжение Правительства РФ от 28.10.2019 № 2553-Р [25]), стратегии научно-технологического развития РФ (Указ Президента РФ от 28.02.2024 № 145 [26]), положению об условиях отнесения проектов к проектам технологического суверенитета и проектам структурной адаптации экономики РФ (постановление Правительства РФ от 15.04.2023 № 603 [27]).

Результаты теоретических и практических исследований особенно актуальны для решения вопроса импортозамещения, в том числе они могут быть приняты за основу для промышленного производства отечественных демпферов и приобретения Россией технического суверенитета в данной области.

Степень разработанности темы исследования

Изучением крутильных колебаний, и в том числе в области конструкции и эксплуатации ПД, занимаются специалисты как СДУ, так и тепловозных, автомобильных, тракторных и т.д. Наиболее важными в данной области являются труды таких ученых, как: И.А. Лурье, В.П. Терских, Л.В. Ефремов, П.А. Истомин, А.Б. Сахаров, В.В. Алексеев, Ф.Ф. Болотин, Г.Д. Кортын, В.К. Румб, А.Н. Гоц, М.Н. Покусаев, М.А. Минасян, Н.И. Николаев, С.В. Викулов, С.В. Попков, В.А. Мамонтов, А.А. Халявкин, Дж. П. Ден-Гартог, C. Shen, G. Li, Z. Tian, C. Chen, Y. Zhou, W.K. Wilson, K.E. Hafner, B.C. Hwang, C. Kim., W.B. Bae, D. H. Lee, T.Y. Chung, Y.C. Kim, H.S. Kim, J. Jaehoon, а также методики зарубежных фирм-производителей демпферов Dr. Geislinger & Co. Schwingungstechnik GmbH, STESCHWINGUNGSTECHNIK GmbH, VULKAN Kupplungs und Getriebebau GmbH & Co. KG, MAN Energy Solutions SE, исследования отечественных классификационных обществ РМРС, РКО и зарубежных - «DNV GL», «ABS», «BV», «LR» и других. В ФГБОУ ВО «АГТУ» сформирована научная школа, занимающаяся вопросами изучения колебаний и вибраций в СДУ, под руководством д.т.н., профессора М.Н. Покусаева, ее представителями являются: д.т.н., доцент М.М. Горбачев; к.т.н., доцент К.О. Сибряев; к.т.н. Хмельницкий К.Е.; к.т.н. Д.В. Степанов; к.т.н. А.Н. Глухов и другие.

Основание для разработки (письма-запросы, государственное задание, договоры, планы научно-исследовательских работ):

1. Ведущие двигателестроительные и профильные организации морской индустрии РФ, письма-запросы о научно-техническом сотрудничестве: АО «Синара-Транспортные Машины» (№ СТМ-0015/мск от 16.01.2025); Частное учреждение по обеспечение научного развития атомной отрасли «Наука и инновации» РОСАТОМ (№ 774/1/155 от 28.01.2025); АО «Объединенная судостроительная корпорация» (№ 31-02-19435 от 02.11.2023); ПАО «Звезда» (№ 31-10S-1106 от 28.03.2022); РМРС (№ 531-05-75901 от 14.04.2025); Atlas Alliance Group LLC (№ 039 от 22.05.2025); ООО «Производственно-

коммерческая фирма «КЕССОН» (№ 55 от 23.05.2025) ОАО «Волго-Каспийский судоремонтный завод» (№ б/н от 31.05.2025) [Приложение А].

2. Федеральное агентство по рыболовству, государственное задание № 122042700076-7 от 27.04.2022 на выполнение НИОКР на тему: «Разработка методики безразборной оценки ресурса механических демпферов крутильных колебаний морских и речных судов, включая рыболовный флот».

3. ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере», договор (соглашение) № 851ГССС15-Ь/81170 от 12.12.2022 по программе «Студенческий стартап» о предоставлении гранта на тему: «Разработка методики диагностирования и определения остаточного ресурса механических демпферов крутильных колебаний машинно-движительных комплексов судов».

4. ФГБОУ ВО «АГТУ», задание № 54-Т от 26.01.2024 на выполнение НИОКТР на тему: «Разработка гидромеханического модельного демпфера крутильных колебаний судовых дизелей», «Сравнительные испытания гидромеханического модельного демпфера крутильных колебаний судовых дизелей».

5. Кафедра «ЭВТиПР», ИЦ «MTS», планы научно-исследовательских

работ.

Диссертация выполнена при поддержке следующих индустриальных партнеров: ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (г. Москва); «GN-Group Corporation» LLC (Турция, г. Стамбул); «Atlas Alliance Group» LLC (Азербайджан, г. Баку); ООО НПО «Донтехцентр» (г. Ростов-на-Дону); г. Астрахань: РМРС; ООО ПКФ «Кессон»; ОАО «Волго-Каспийский судоремонтный завод»; АО «Конструкторское бюро «Флотпроект»; ФГБОУ ВО «АГТУ». Автор выражает огромную благодарность индустриальным партнерам за помощь и поддержку при подготовке диссертации.

Область использования результатов исследования - судовые двигательные установки.

Объект исследования - пружинный демпфер крутильных колебаний с листовыми рессорами.

Предмет исследования - методика создания пружинного демпфера крутильных колебаний с листовыми рессорами.

Цель и задачи исследования

Цель - повышение эффективности демпфирования крутильных колебаний судовой двигательной установки при использовании пружинного демпфера с листовыми рессорами.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать алгоритм выбора ПД из готового модельного ряда для СДУ.

2. Разработать методику определения конструктивных и эффективных характеристик ПД с использованием теории динамического поглотителя колебаний.

3. Разработать методику создания ПД с листовыми рессорами и реализовать ее в виде ПД-прототипа с применением технологии реверс-инжиниринга по серийному образцу ПД модели D90/37 фирмы «Geislmger».

4. Дооборудовать лабораторный стенд ИЦ «MTS» в части разработки системы подачи рабочей жидкости в ПД-прототип.

5. Разработать программу испытаний и провести в соответствии с ней испытания ПД-прототипа в лабораторных условиях, включая сравнительные с силиконовым демпфером.

Научная новизна

1. Разработана методика создания ПД с листовыми рессорами.

2. Впервые в России произведен ПД-прототип, разработанный на основе методики создания, и с применением технологии реверс-инжиниринга по серийному образцу ПД модели D90/37 фирмы «Geislinger».

3. Получены новые эмпирические зависимости развития напряжений от крутильных колебаний в лабораторных условиях при установке ПД-прототипа в

различных его технических состояниях, включая сравнительные испытания с силиконовым демпфером.

Теоретическая значимость

1. Разработан алгоритм выбора ПД из готового модельного ряда для СДУ.

2. Проведены расчеты конструктивных и эффективных характеристик ПД на примере модели D60/12 фирмы «Geislinger» для судового дизеля Wartsila 6L20.

3. Проведены расчеты моделирования изменения процесса деформации (прогиба) листовых рессор ПД-прототипа с использованием теории балок Эйлера-Бернулли в программном обеспечении 0ctave-9.2.0-w64 и SolidWorks.

4. Определена эффективность снижения амплитуд крутильных колебаний установки при помощи демпферов - пружинного и силиконового, на основе измерений напряжений в валах в зависимости от частоты вынужденных колебаний и частоты вращения.

Практическая значимость

1. Получено принципиальное одобрение РМРС на техническую документацию «Разработка отечественного пружинного демпфера крутильных колебаний», что подтверждает верификацию результатов исследования [Приложение Б].

2. Разработана конструкторская документация на ПД-прототип.

3. Создан ПД-прототип с листовыми рессорами и разработана его 3D модель в программном обеспечении Autodesk Fusion360.

4. Дооборудован лабораторный стенд ИЦ «MTS» в части разработки системы подачи рабочей жидкости в ПД-прототип.

5. Разработана программа испытаний ПД-прототипа в лабораторных условиях, включая сравнительные испытания с силиконовым демпфером.

6. Результаты НИР внедрены в учебный процесс и научную деятельность ФГБОУ ВО «АГТУ», в производственную деятельность ООО НПО «Донтехцентр» (г. Ростов-на-Дону), использовались при подготовке дипломных работ и проектов обучающихся по конвенционной специальности 26.05.06 «Эксплуатация судовых

энергетических установок», а также в практическую деятельность ИЦ «MTS» [Приложение В].

Методология и методы исследования

Методологические принципы, лежащие в основе исследования, базируются на фундаментальных и прикладных исследованиях ведущих российских и зарубежных специалистов в области крутильных колебаний. Учтены требования нормативной документации и правил классификационных обществ, в том числе расчетные методики ведущих фирм-производителей ПД, прописанных в руководствах по технической эксплуатации. Методы, используемые при разработке диссертационной работы, имеют комбинированный подход: теоретический (анализ, синтез, индукция) и практический (моделирование, расчетный метод и научный эксперимент).

Положения, выносимые на защиту

1. Методика создания ПД с листовыми рессорами.

2. ПД-прототип, разработанный на основе методики создания, и c применением технологии реверс-инжиниринга по серийному образцу ПД модели D90/37 фирмы «Geislinger».

3. Результаты испытаний ПД-прототипа в лабораторных условиях, включая сравнительные испытания с силиконовым демпфером.

Степень достоверности результатов исследования

1. Применение современных поверенных приборов и оборудования:

тензометрический комплекс «Astech Electronics», пирометр «Testo 830-T1», виброметр-анализатор спектра «Экофизика-110А», система мониторинга крутильных колебаний ООО «Морские инновационные технологии», 3D-сканер Range Vision Spectrum, Сейтроник ПШ8-1.

2. Применение лицензионных программных продуктов: «Astech C-Range Logging Version 2.5.0.1825», «Signal+3G Light», RangeVision ScanCenter NG, Autodesk Fusion 360, Octave-9.2.0-w64, соавторские программы для ЭВМ для расчета параметров ПД (Mechanical damper parameters, свидетельство

№ 2023611877; Spring damper parameters calculation, свидетельство № 2023683784; Selection of spring torsional vibration damper, свидетельство № 2023688733).

3. Использование общепризнанных теорий: 1. подобия и размерностей; 2. динамического поглотителя колебаний; 3. классической теории балок; 4. колебаний и вибраций.

4. Использование документации по технической эксплуатации серийно-выпускаемых судовых ПД зарубежных фирм-производителей.

Апробация результатов исследования

Результаты исследования были представлены на российских и международных научных конференциях, форумах, семинарах:

1. Финальный отбор грантового конкурса «Студенческий стартап» -программы ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (г. Москва, сентябрь 2022 г.).

2. Открытый разговор «Смотрим за горизонт!» VI Global Fishery Forum & Seafood Expo 2023 при участии ведущих профильных специалистов России, включая руководителя ФАР Шестакова И.В. (г. Санкт-Петербург, 27-29 сентября 2023 г.).

3. Торжественное мероприятие при губернаторе АО, посвященное итогам сотрудничества с Фондом содействия инновациям в рамках федерального проекта «Платформа университетского технологического предпринимательства» (г. Астрахань, март 2023 г.).

4. XII Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Достижения и перспективы инноваций и технологий») (г. Керчь, 21.04.2023).

5. Прямой эфир государственной телевизионной и радиовещательной компании «Лотос» (г. Астрахань, май 2023 г.).

6. Заседание Каспийского научно-образовательного конгресса (г. Астрахань, 2023 г.).

7. Всероссийская конференция молодых ученых «Воложка» в рамках V-го Международного научно-промышленного форума «Транспорт. Горизонты развития» (г. Нижний Новгород, 22-23 апреля 2025 г.).

8. Ежегодные международные научные конференции ФГБОУ ВО «АГТУ» (г. Астрахань, 2022-2025 гг.).

9. Заседания научного семинара кафедры «ЭВТиПР» ФГБОУ ВО «АГТУ» (г. Астрахань, 2022-2025 гг.).

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, обосновании актуальности темы исследования, разработке методики определения конструктивных и эффективных характеристик ПД, реализации технологии реверс-инжиниринга по серийному образцу ПД модели D90/37 фирмы «Geislinger», разработке методики создания ПД с листовыми рессорами, разработке программы испытаний ПД-прототипа и проведение в соответствии с ней испытаний.

Публикации

Общее количество публикаций по направлению диссертации - 42. Основные научные результаты исследования отражены в 25 работах, из которых 9 статей -в рецензируемых научных изданиях, отнесенных к категориям К-1/К-2, входящих в текущий Перечень ВАК РФ; 2 статьи - в научных изданиях, индексируемых международными базами данных («Web of Science»), перечень которых определен в соответствии с рекомендациями ВАК РФ; 2 патента на полезную модель; 4 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ; 3 публикации в сборниках трудов российских и международных конференций; 3 отчета о выполнении НИР; 2 статьи - в прочих научных журналах.

Вклад автора в публикации материалов диссертации: [1-5, 7-13, 15-18, 20-24] - от 30 до 70%, [6, 14, 19, 25] - 100%.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, списка литературы из 1 13 наименований, основной материал изложен на 155 страницах, содержит 108 рисунков и 28 таблиц, 3 приложения.

Соответствие паспорту научной специальности

Содержание диссертации соответствует п. 4 «Научно-технический уровень

главных и вспомогательных элементов СЭУ. Проектирование, конструирование,

13

комплектование, компоновка СЭУ и их элементов» и частично п. 5. «Надежность, экономичность, функциональные, эргономические и технологические характеристики, мониторинг, диагностика и техническое обслуживание СЭУ и их элементов. Обеспечение эффективной и безопасной эксплуатации СЭУ, включая утилизацию их элементов» паспорта научной специальности 2.5.20 «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)».

1 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРУЖИННЫХ ДЕМПФЕРОВ

КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

1.1 Анализ конструкции и принципа действия пружинных демпферов

Во время работы судового дизельного двигателя (СДД) коленчатый вал генерирует циклические крутильные колебания из-за переменного крутящего момента [28, 80-81]. Большие габариты коленчатых валов в мощных СДД и, соответственно, большой их момент инерции снижают жесткость на кручение и собственную частоту, что делает их очень чувствительными к резонансу в пределах рабочей частоты вращения СДД [29, 30, 82-85]. Для демпфирования и предотвращения опасных динамических нагрузок на свободном конце коленчатого вала СДД устанавливают демпферы (жидкостные или пружинные) [5, 31-34, 86]. В отличие от широко применяемых ранее силиконовых демпферов, имеющих в своем составе: корпус, маховую массу, крышку, рабочую жидкость в виде полиметилсилоксана, конструкция ПД сложнее. В настоящее время на современных СДУ получили распространение следующие виды ПД [5, 28]: с листовыми рессорами, с гильзовыми пружинами.

В ПД подобных конструкций необходима подача масла из циркуляционной системы смазки СДД. При работе демпферов крутильных колебаний происходит поглощение колебательной энергии (еще их называют «успокоителями» СДУ [35-38]), в связи с чем они нагреваются в процессе эксплуатации. Принцип действия ПД сводится к снижению частоты (до 0,85-0,87 от исходной) и амплитуды опасных резонансных колебаний и возникновению еще одного резонанса при более высокой относительной частоте (1,15-1,17 от исходной), амплитуда которого не опасна для системы [39].

ПД с листовыми рессорами, в частности, используются на СДД Wartsila 6L20, 9Ь20 фирмы «Ое1вНп§ег» моделей 060/14/2, Б60/16/2 [40] современных проектов судов серии ЯБТ, ЯБЭ. Подобные конструкции сочетают в себе как функции

демпфера, так и антивибратора. Общий вид ПД с листовыми рессорами и его конструкция представлены на рис. 1.1, чертеж - на рис. 1.2.

Рисунок 1.1 - Общий вид и конструкция ПД с листовыми рессорами «Geislmger»

[5]

Согласно рис. 1.1: 1 - корпус; 2 - деталь промежуточная; 3 - отверстие крепления детали промежуточной с фронтальной и задней крышками; 4 - звездочка (внутренний обод); 5 - фланец для крепления демпфера к коленчатому валу СДД; 6 - болты для крепления демпфера к коленчатому валу СДД; 7 - листовые рессоры; 8 - полости для прохождения смазочного масла.

Рисунок 1.2 - Чертеж конструкции ПД с листовыми рессорами «Ое1вНп§ег» [5]

Конструктивные особенности таких демпферов позволяют сочетать в себе совокупность видов демпфирования: расположенные радиально листовые рессоры (7) передают упругий момент от внутренней части демпфера к его наружной части (упругое демпфирование), что вызывает смещение рабочий жидкости (смазочного масла от коленчатого вала СДД под давлением) в полости (8), обеспечивая также гидравлическое демпфирование. Это усложняет конструкцию демпфера, но позволяет использовать достоинства, как ПД, так и жидкостных, включая охлаждение его основных конструктивных элементов. Наружные окончания листовых рессор (7) зажимаются между промежуточными деталями (2) благодаря напрессованному корпусу (1). Внутренние окончания листовых рессор (7) попадают в осевые пазы звездочки (4).

Рисунок 1.3 - Упругое и гидравлическое демпфирование в ПД с листовыми рессорами «Geislmger» [5]: А - полость смазочного масла СДД до пружинного пакета; В - полость смазочного масла СДД после пружинного пакета

Примером конструкции ПД с гильзовыми пружинами (рис. 1.4) являются демпферы фирмы VULKAN Kupplungsund Getriebebau GmbH & Co. KG (г. Херне, Германия) по лицензии компании «MAN Energy Solutions SE», которые устанавливаются на двигателях линейки MAN B&W: S70MC6, 7S50MC, L35MC6 [7]; ПД фирмы STESCHWINGUNGSTECHNIK GmbH устанавливаются, в частности, на двигателях MAK 8М25 (ЧН25,5/40) [8].

Согласно рис. 1.4: 1 - задняя крышка демпфера; 2 - носовая крышка защитного кейса демпфера; 3 - канал для подачи масла в полости; 4 - болт крепления демпфера к коленчатому валу; 5 - передняя крышка демпфера; 6 -фиксация болта от отворачивания; 7 - болт крепления секции гильзовых пружин; 8 - болт крепления крышек демпфера; 9 - корпус; 10 - диск; 11 - пакет гильзовых пружин; 12 - болт крепления гильзовых пружин; 13 - внешний корпус; 14 -монтажные болты.

При реализации гранта по программе «Студенческий стартап» ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» по теме НИОКР: «Разработка методики диагностирования и определения остаточного ресурса механических демпферов крутильных колебаний машинно-движительных комплексов судов» [41, 42] был приобретен ПД с листовыми рессорами судового двигателя МАК 8М25.

Одной из задач являлось провести процедуру разборки ПД для оценки его технического состояния.

Этап 1. Оценка внешнего состояния ПД:

Внешнее состояние - хорошее. Наличие сколов, трещин, отсутствие или повреждение крепежных болтов, других повреждений не наблюдается. Общий вид ПД представлен на рис. 1.5.

Рисунок 1.5 - Общий вид ПД с листовыми рессорами от СДД МАК 8М25

[фото автора]

Этап 2. Демонтаж верхней крышки ПД:

Количество крепежных болтов М24 (с торцевой головкой 36 мм): 24 шт. Крепежные болты демонтируются при помощи ручного инструмента, необходимость в пневматическом инструменте отсутствует. Процедура демонтажа крышки представлена рис. 1.6.

Рисунок 1.6 - Демонтаж верхней крышки ПД с листовыми рессорами

[фото автора]

Этап 3. Внешний осмотр составных элементов ПД:

На рис. 1.7 представлены составные элементы ПД после демонтажа верхней крышки. На поверхности составных элементов ПД наблюдается использованное смазочное масло.

Рисунок 1.7 - Общий вид ПД с листовыми рессорами после демонтажа

верхней крышки [фото автора]

В соответствии с рис. 1.7 в основной части демпфера установлено: 24 пакета промежуточных деталей (маховых масс), между которыми установлены листовые рессоры в паре (всего: 48 шт.).

На рис. 1.8 представлен общий вид ПД после зачистки смазочного масла. Внешнее состояние листовых рессор удовлетворительное (все рессоры в исправном состоянии, сколов и трещин не отмечается, поверхность чистая). Зазор между листовыми рессорами имеется (между ними установлена дополнительная межпружинная пластина) - рис. 1.9.

Рисунок 1.8 - Общий вид ПД с листовыми рессорами после зачистки

смазочного масла [фото автора]

Рисунок 1.9 - Пакет промежуточной детали с листовыми рессорами ПД

[фото автора]

Смазка ПД осуществляется за счет масла от коленчатого вала двигателя. Для этого как в коленчатом валу, так и в звездочке (внутреннем ободе) ПД имеются 8 отверстий диаметром 2,5 мм для подвода смазочного масла - рис. 1.10.

И

Рисунок 1.10 - Отверстия в звездочке (внутреннем ободе) ПД для подвода смазочного масла от коленчатого вала двигателя [фото автора]

Этап 4. Результаты измерения геометрических размеров составных элементов ПД с листовыми рессорами (табл. 1.1, 1.2):

Таблица 1.1 - Условные обозначения

№ Условные обозначения Расшифровка

1 d, мм Диаметр

2 т, мм Зазор

3 Ь, мм Ширина

4 h, мм Толщина

5 1, мм Длина

Таблица 1.2 - Результаты измерения геометрических размеров составных элементов ПД с листовыми рессорами

Наименование элемента ПД Геометрические размеры

Верхняя крышка ^внешний = 900 мм

^внутренний = 405 мм

к = 40 мм

Ь = 245 мм

Корпус ё = 900 мм

Ь = 100 мм

к = 20 мм

Деталь промежуточная 1 = 190 мм

Ьверхней части = 40 мм

Ьшейки = 35 мм

Ьоснования = 75 мм

ёотверстия под болты = 25,5 мм

Листовые рессоры 1 = 200 мм

т между рессорами = 1 мм

книжняя часть = 15 мм

кверхняя часть = 6 мм

Звездочка ёвнешний = 405 мм

ёвнутренний= 285 мм

кнад поверхностью демпфера = 30 мм

Ь = 120 мм

ёотверстия под болты = 32 мм

Выводы по проведенной диагностике:

1. Разборка ПД с листовыми рессорами судового двигателя МАК 8М25 подтвердила соответствие конструкции демпфера чертежу и определила маркировочный номер изделия и фирму завода-изготовителя (D90/37, фирма: Dr. Geislinger & Co. Schwingungstechnik GmbH, Австрия).

2. Результаты измерений геометрических размеров демпфера позволят достоверно изготовить прототип и производить моделирование работы демпфера в различных программных продуктах.

3. Результаты диагностики внешних поверхностей демпфера позволили определить его техническое состояние как хорошее.

Также была проведена процедура разборки и оценки технического состояния по аналогичной технологии, приведенной выше, ПД с гильзовыми пластинами от судового двигателя МАК 8М25, полученного в рамках партнерских отношений с

судовладельческой организацией GN GROUP CORPORATION LLC (г. Стамбул, Турция).

Этап 1. Оценка внешнего состояния ПД с гильзовыми пружинами

Внешнее состояние демпфера удовлетворительное (отмечается наличие ржавчины на поверхности). Наличие сколов, трещин, различных видов повреждений не наблюдается. Общий вид демпфера представлен на рис. 1.11.

Рисунок 1.11 - Общий вид ПД с гильзовыми пружинами от СДД МАК 8М25

[фото автора]

Этап 2. Демонтаж верхней крышки ПД с гильзовыми пружинами

Количество крепежных болтов М16 (с торцевой головкой 24 мм.): 16 шт. Крепежные болты снимаются ручным инструментом, необходимость в пневматическом инструменте отсутствует.

Процедура демонтажа крышки представлена рис. 1.12.

Рисунок 1.12 - Демонтаж верхней крышки ПД с гильзовыми пружинами

[фото автора]

Этап 3. Внешний осмотр составных элементов ПД с гильзовыми пружинами

На рис. 1.13 представлены составные элементы ПД с гильзовыми пружинами после демонтажа верхней крышки.

Рисунок 1.13 - Общий вид ПД с гильзовыми пружинами после демонтажа

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ибадуллаев Адель Дамирович, 2025 год

- // -"

-

-——-г ' 1 1 1 1

0.02 ОЛЗ И.П4 0.05

Рисунок 3.31 - Прогиб листовых рессор ПД-прототипа вдоль всей их длины

[авторская разработка]

Рисунок 3.32 - Построение трехмерной модели группы листовых рессор ПД-прототипа в программном комплексе SolidWorks [авторская разработка]

Рисунок 3.33 - Результаты моделирования процесса деформации листовых рессор ПД-прототипа в программном комплексе SolidWorks

[авторская разработка]

Согласно проведенным расчетам при моделировании процесса деформации листовых рессор в вышеописанных программных обеспечениях, установлено что максимальный их прогиб составляет 0,62 мм при отсутствии контакта с межпружинной пластиной.

3.5 Выводы по третьей главе

1. Решена поставленная задача №» 3 диссертации и получена научная новизна - разработана методика создания ПД с листовыми рессорами,

которая может быть принята за основу для промышленного производства отечественных ПД.

2. Впервые в России произведен ПД-прототип, разработанный на основе методики создания, и с применением технологии реверс-инжиниринга по серийному образцу ПД модели D90/37 фирмы «Geislmger», позволяющий перейти к созданию опытного и далее серийного образца ПД (патент на полезную модель № 215731 Ш).

3. Исходя из расчетов параметров АЧХ ПД-прототипа, установлено, что приемлемая жесткость ПД-прототипа для лабораторного стенда ИЦ «MTS» составляет 1213 Н-м/рад при средней толщине листовых рессор 0,6 мм.

4. При моделировании процесса деформации листовых рессор установлено, что максимальный их прогиб составляет 0,62 мм при потере контакта с межпружинной пластиной.

Выполнение третьей главы диссертации позволяет перейти к испытаниям ПД-прототипа.

4 ИСПЫТАНИЯ ПРУЖИННОГО ДЕМПФЕРА-ПРОТОТИПА

4.1 Дооборудование лабораторного стенда Испытательного центра "Marine Technology Service" для работы пружинного демпфера-прототипа

4.1.1 Система подачи рабочей жидкости (изготовление, монтаж, тестирование), контрольно-измерительные приборы

Для проведения испытаний ПД-прототипа на лабораторном стенде ИЦ «MTS» необходимо дооборудовать его в части разработки системы подачи рабочей жидкости, [112]. Принцип работы лабораторного стенда и его элементный состав до дооборудования представлены в докторской диссертации М. М. Горбачева [23].

Разработка принципиальной схемы системы

Опираясь на данные, полученные в результате разработки глав 2 и 3 диссертации, была разработана и сформирована принципиальная схема системы подачи рабочей жидкости в ПД-прототип (система маслоснабжения) (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 - Принципиальная схема системы подачи рабочей жидкости в ПД-прототип [авторская разработка]

В соответствии с рис. 4.1: 1 - бак напорный; 2, 15, 17 - поддон для утечек масла; 3, 11 - датчики температуры масла на входе и выходе из демпфера; 4 -масляный фильтр; 5, 13, 16 - краны; 6 - маслоподкачивающий насос; 7 - кран регулирования расхода масла; 8 - датчик давления; 9 - кожух маслозащитный; 10 - ПД-прототип с выходом масла через фронтальную крышку; 12 - насос маслоперекачивающий; 14 - бак дренажный для масла.

Масло из напорного бака (1) проходит через масляный фильтр (4) при работе маслоподкачивающего насоса (6) и поступает в ПД-прототип. В ПД-прототипе масло охлаждает и смазывает листовые рессоры, а также очищает от продуктов износа. Выход масла осуществляется через отверстия, расположенные на фронтальной крышке ПД-прототипа (10), и стекает по маслозащитному кожуху (9) в поддон. На входе и выходе масла из ПД-прототипа установлены датчики температуры (3, 11). Из поддона масло напорно-гравитационном способом перетекает в дренажный бак (14), из которого далее по трубопроводу, при работе маслоперекачивающего насоса (12) поступает обратно в напорный бак (1).

Для измерения параметров масла предполагается использовать не шкаловые контрольно-измерительные приборы, а датчики, подключенные к микроконтроллеру с выводом информации на отдельное табло.

Разработка измерительной системы

Для измерения температуры масла на входе и выходе из ПД-прототипа, а также давления масла после насоса была разработана система измерения [103], в которую входят следующие элементы:

- цифровые датчики температуры высокой точности DS18B20 - 2 шт.;

- датчик давления PT1200-A-10-B-0.5CN1G - 1 шт.;

- микроконтроллер «Arduino Nano» - 1 шт.;

- дисплей LCD 1602 (I2C) для отображения информации 2-х строчный -

1 шт.

Точность измерения обеспечивается минимальной погрешностью датчиков, которая составляет для датчика давления PT1200-A-10-B-0.5CN1G -0,5% (0,05 бар), для датчиков температуры DS18B20 - 0,5%.

Общий вид центрального блока измерительной системы расположен на отдельной металлической стойке и представлен на рис. 4.2.

Рисунок 4.2 - Общий вид центрального блока измерительной системы

[авторская разработка]

Измерительная система по факту сборки системы подачи рабочей жидкости в ПД-прототип позволяет на дисплее контролировать следующие параметры: температуру масла в напорном баке (оС), температуру масла в поддоне дренажа (оС), давление масла после насоса (кг/м2, бар), время эксперимента (с).

Для тарировки датчиков температуры будет использован контактный термометр Testo 905-T1, для датчика давления - измеритель давления масла 40087.

Система подачи рабочей жидкости в ПД-прототип

Система монтировалась поэтапно, с разработкой отдельных узлов. В качестве напорного и дренажного баков использовались металлические емкости промышленного исполнения с объемом 10 литров.

В качестве подающего насоса использовался агрегат Г-11-11А с приводным электродвигателем 5АИЕ1 63 с номинальной мощностью 0,25 кВт, напряжением переменного электрического тока 220 В и номинальной частотой вращения ротора 1500 мин-1.

В качестве маслоперекачивающего масляного насоса выбран насос для откачки масла из картера СДД при ремонте с питанием от электрического постоянного тока 12 В.

Так как давление в системе не превышает 10 бар, в системе были использованы стандартные пластиковые трубы и переходники.

Элементы системы представлены на рис. 4.3, 4.4, 4.5.

Рисунок 4.3 -Элементы напорной части системы снабжения ПД-прототипа рабочей жидкостью [авторская разработка]

Рисунок 4.4 - Элементы дренажной части системы снабжения ПД-прототипа рабочей жидкостью [авторская разработка]

Рисунок 4.5 - Электродвигатель и масляный насос системы снабжения ПД-прототипа рабочей жидкостью [авторская разработка]

Испытания системы подачи рабочей жидкости в ПД-прототип:

После сборки 25.03.2024 была произведена первичная проверка работоспособности и корректности результатов измерений разработанной системы измерения температуры масла системы маслоснабжения ПД-прототипа и первичная калибровка системы и ее программного обеспечения.

Программа проведения эксперимента:

1. Установка и подключение датчиков температуры DS18B20 к измерительному блоку системы мониторинга;

2. Измерение температуры окружающего воздуха системой и термометром «Testo» 905-T1;

3. Обработка полученных результатов и определение отклонения показаний системы от эталонного термометра;

4. Измерение температуры воды системой и термометром «Testo» 905-

T1;

5. Обработка полученных результатов и определение отклонения показаний системы от эталонного термометра;

6. Корректировка калибровочного коэффициента в программном обеспечении системы в случае отклонений ее показаний от эталонного термометра более 5%, повтор пунктов 2-5 программы;

7. Формирование выводов по результатам калибровки.

В результате первичной калибровки были получены табл. 4.1, 4.2.

Таблица 4.1 - Результаты измерения температуры воздуха и воды до калибровки системы

Воздух в лаборатории

Прибор 1 2 3 4 5 Среднее Процент по эталону, % Процент по датчикам, %

Testo 905-T1 (эталон) 20,7 20,7 20,7 20,8 20,7 20,72

Датчик на входе (DS18B20) 21,32 21,25 21,25 21,25 21,19 21,25 2,57 2,40

Датчик на выходе (DS18B20) 21,81 21,81 21,75 21,75 21,69 21,76 5,03

Вода

Прибор 1 2 3 4 5 Среднее Процент по эталону, % Процент по датчикам, %

Testo 905-T1 (эталон) 15,9 15,8 16 15,9 16 15,92

Датчик на входе (DS18B20) 16,19 16,25 16,19 16,25 16.19 16,22 1,88 5,72

Датчик на выходе (DS18B20) 17,12 17,12 17,12 17,19 17,19 17,15 7,71

Таблица 4.2 - Результаты измерения температуры воздуха и воды после калибровки системы

Воздух в лаборатории

Прибор 1 2 3 4 5 Среднее Процент по эталону, % Процент по датчикам, %

Testo 905-T1 (эталон) 20,6 20,6 20,6 20,6 20,6 20,6

Датчик на входе (DS18B20) 20,89 20,96 20,96 20,96 20,96 20,95 1,68 1,22

Датчик на выходе (DS18B20) 21,27 21,2 21,2 21,2 21,14 21,20 2,92

Вода

Прибор 1 2 3 4 5 Среднее Процент по эталону, % Процент по датчикам, %

Testo 905-T1 (эталон) 16,8 16,8 16,8 16,9 16,8 16,82

Датчик на входе (DS18B20) 16,93 16,93 16,93 16,86 16,93 16,92 0,57 4,32

Датчик на выходе (DS18B20) 17,61 17,67 17,67 17,61 17,67 17,65 4,91

0,062 0,062

Калибровочные коэффициенты, устанавливаемые в программе для датчиков DS18B20, скорректированы с 0,065 до 0,062.

После проведения корректировочных действий в системе 12.04.2024 были проведены испытания для определения погрешности измерительного блока системы подачи рабочей жидкости (моторного масла) в ПД-прототип.

Программа проведения эксперимента:

1. Подключение датчиков температуры DS18B20 к измерительному блоку;

2. Определение температуры окружающего воздуха измерительным блоком и термометром «Testo» 905-T1;

3. Обработка полученных результатов и определение погрешностей измерений;

4. Определение температуры моторного масла измерительным блоком и термометром «Testo» 905-T1;

5. Обработка полученных результатов и определение погрешностей;

6. Корректировка калибровочного коэффициента в программном обеспечении измерительного блока в случае отклонений его показаний от эталонного термометра более 5%, повтор пунктов 2-5 программы;

7. Формирование выводов по результатам измерений.

Калибровочные коэффициенты Датчик на входе (DS18B20) Датчик на выходе (DS18B20)

Результаты измерений приведены в табл. 4.3, 4.4 и на рис. 4.6, 4.7. Таблица 4.3 - Результаты измерения температуры воздуха

Опыты 1 2 3 4 5 среднее максимум минимум Отличие по среднему, %

Testo 905 22,7 22,7 22,7 22,7 22,7 22,7 23,7 21,7

Датчик на входе 23,6 23,6 23,6 23,6 23,6 23,6 24,1 23,1 3,96

Датчик на выходе 23,2 23,2 23,2 23,2 23,2 23,2 23,7 22,7 2,20

Рисунок 4.6 - Результаты измерения температуры воздуха [авторская разработка]

Таблица 4.4 - Результаты измерения температуры моторного масла

Опыты 1 2 3 4 5 среднее максимум минимум Отличие по среднему, %

Testo 905 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 24,1 22,1

Датчик на входе 23,5 23,4 23,4 23,5 23,5 23,5 24 23 1,56

Датчик на выходе 23 23 23,1 23 23,1 23,0 23,5 22,5 -0,26

Температура моторного масла, град. С

Средства измерения

■ Testo тах ■ Testo min и Вход_тах ■ (ход min Выход_тах Выход_тт

Рисунок 4.7 - Результаты измерения температуры моторного масла

[авторская разработка]

Выводы по проведенному эксперименту:

1. Отклонение температуры, определенной при помощи блока составляет не более 5% от показаний эталонного термометра, дополнительная калибровка измерительного блока не требуется.

2. Погрешность измерительного блока составила ±0,75 оС.

4.2 Исследование крутильных колебаний при установке пружинного и силиконового демпфера в составе лабораторного стенда

Для оценки эффективности снижения амплитуд крутильных колебаний установки при помощи демпферов - пружинного и силиконового, был произведен ряд измерений напряжений в валах от крутильных колебаний в зависимости от частоты вынужденных колебаний и частоты вращения (для определения валидации результатов исследования).

Измерение напряжений производилось в двух валах лабораторного стенда, основное сечение - узловое, определенное согласно проведенного расчета свободных крутильных колебаний - вал между малым маховиком №2 1 и большим маховиком (далее именуется как вал у большого маховика (БМ)), и дополнительное сечение - вал между муфтой № 1 и малым маховиком № 1 (далее именуется как вал у малого маховика (ММ)). Дополнительное сечение было необходимо для контроля достоверности полученных результатов напряжений.

Результаты экспериментальной оценки максимальных напряжений в сечениях валов лабораторного стенда без установленного демпфера приведена в табл. 4.5.

Таблица 4.5 - Максимальные напряжения в сечениях валов лабораторного

стенда без установки демпфера при разной частоте колебаний

СЕЧЕНИЕ ВАЛА У БМ

Время периода, Тц, мс Частота колебаний, Гц Максимальная амплитуда в цикле, у.е. Максимальные напряжения, МПа

20 50,0 277 4,27

21 47,6 333 5,13

22 45,5 306 4,72

23 43,5 293 4,52

24 41,7 288 4,44

25 40,0 246 3,79

СЕЧЕНИЕ ВАЛА У ММ

20 50,0 225 3,47

21 47,6 233 3,59

22 45,5 226 3,48

23 43,5 218 3,36

24 41,7 225 3,47

25 40,0 223 3,44

По результатам анализа табл. 4.5 установлено, что резонансная частота крутильных колебаний составляет 47,6 Гц и согласно ранее проведенного расчета свободных колебаний лабораторного стенда она соответствует в пределах 5% расчетной частоте колебаний одноузловой формы.

Участки тензограммы с развитием максимальных напряжений (при частоте вращения 150 мин-1) для участка вала у большого маховика и для участка у малого маховика (при частоте вращения 390 мин-1), полученные по результатам работы стенда при частоте вынужденных колебаний 47,6 Гц, представлены на рис. 4.8, 4.9.

Рисунок 4.8 - Тензограмма при работе стенда на частоте колебаний 47,6 Гц

(вал у БМ)

Рисунок 4.9 - Тензограмма при работе стенда на частоте колебаний 47,6 Гц

(вал у ММ)

Проведя анализ тензограмм, был получен график развития напряжений от суммарных крутильных колебаний в зависимости от частоты вращения лабораторного стенда (рис. 4.10).

Рисунок 4.10 - График развития напряжений от суммарных крутильных колебаний в стенде без демпфера

[авторская разработка]

Резонансные напряжения возникают при частотах вращения для сечения у БМ: 155, 240, 390 мин-1.

При установке ПД-прототипа и подаче в него проточного масла, а после последующего демонтажа и установки силиконового демпфера, были получены графики развития напряжений, приведенные на рис. 4.11, 4.12. Данные графики получены при условии сохранения частоты вынужденных колебаний на уровне 47,6 Гц.

Как видно из рис. 4.11 и 4.12 оба демпфера и ПД-прототип и силиконовый эффективно снижают уровень как резонансных, так и нерезонансных напряжений и выравнивают зависимость напряжений от частоты вращения. При этом области частот вращения до 250 мин-1 более эффективным является демпфер силиконовый, при дальнейшем росте частоты вращения более эффективным является ПД-прототип. Это, в частности, может подтверждать эффективность установки ПД на современных судовых высокооборотных двигателях.

Полученные результаты показывают эффективность установки демпферов, однако при этом необходимо учесть, что дополнительная масса в виде демпфера в составе системы приведет к изменению резонансной частоты колебаний. Также требует оценки влияние технического состояния демпфера на развитие крутильных колебаний в валах установки.

Вал у большого маховика

6,00 5,00

го

I 4'00

I 3,00 ос

2,00 1,00 0,00

О 100 200 300 400 500 600

Частота вращения, об/мин

^^СТЕНД БЕЗ ДЕМПФЕРА «»СТЕНД С ПРУЖИННЫМ ДЕМПФЕРОМ «»СТЕНД С СИЛИКОНОВЫМ ДЕМПФЕРОМ

Рисунок 4.11 - Графики развития напряжений при установке ПД-прототипа и силиконового демпфера

для вала у БМ [авторская разработка]

Рисунок 4.12 - Графики развития напряжений при установке ПД-прототипа и силиконового демпфера для вала у ММ

[авторская разработка]

4.3 Влияние технического состояния пружинного демпфера на развитие крутильных колебаний в валах стенда

Для ПД-прототипа необходимо рассмотреть следующие варианты моделирования его технического состояния:

- нормальное техническое состояние с рабочим состоянием листовых рессор и обеспечения полного протекания масла через него;

- сухой без подачи масла - ситуация, которая возможна в реальных условиях эксплуатации при загрязнении проточных частей системы подачи масла и проточной части ПД и его работе в течении некоторого времени, достаточного для вытекания масла из ПД;

- с маслом, но без протекания через него - ситуация, которая является предшествующей сухому состоянию, то есть когда масло еще содержится в проточной части ПД, но не имеет достаточного поступления от системы;

- с заклинкой листовых рессор - ситуация, которая может возникнуть при их перегреве при недостаточном охлаждении или повреждении листовых рессор.

Влияние технического состояния ПД-прототипа на характер крутильных колебаний будет выражаться в изменении их амплитуды и частоты.

Соответственно, для разных технических состояний ПД-прототипа экспериментально были установлены величины резонансных частот, которые приведены в табл. 4.6. Также представлено изменение частоты колебаний относительно частоты при нормальном состоянии ПД-прототипа.

Таблица 4.6 - Резонансные частоты крутильных колебаний стенда при разных технических состояниях ПД-прототипа

Техническое состояние Частота, Гц Частота, Изменение, %

ПД-прототипа Кол/мин

ПД с маслом 20,8 1248 -2,35

ПД с проточной системой масла 21,3 1278 0,00

ПД застопоренный 21,7 1302 1,88

ПД сухой 20,4 1224 -4,23

Необходимо отметить, что установка ПД-прототипа приводит к уменьшению резонансной частоты колебаний всего стенда с 47,6 до 21,3 Гц, то есть более чем в 2 раза. В данном случае это объясняется большим моментом инерции ПД-прототипа.

Как видно из таблицы 4.6, результаты не дают основание говорить о существенном изменении частоты колебаний поскольку отличие не превышает 5%, поэтому далее требуется провести анализ изменения напряжений при разном техническом состоянии ПД-прототипа.

При анализе напряжений были рассмотрены тензограммы с частотой колебаний от 20 до 21,7 Гц, что охватывает диапазон резонансных частот при различном техническом состоянии ПД-прототипа. Результаты анализа представлены на рис. 4.13 и 4.14.

Рисунок 4.13 - Напряжения в валу у БМ при различном техническом состоянии ПД-прототипа [авторская разработка]

9,00

8,00

т 7,00 с

5 6,00

1 5,00 т

| 4,00 с 3,00 х 2,00 1,00 0,00

Рисунок 4.14 - Напряжения в валу у ММ при различном техническом состоянии ПД-прототипа [авторская разработка]

Как показал анализ, максимальный рост напряжений возникает при застопоренных листовых рессорах ПД-прототипа, при этом относительно нормального его состояния они возрастают в 4,03-4,18 раза. Это может являться полноценным диагностическим критерием для безразборной оценки технического состояния пружинного демпфера. Отсутствие протока масла приводит к росту напряжений в 1,15-1,26 раза, однако, вероятнее всего, данный дефект приведет к повышению температуры листовых рессор и риску их заклинивания, что приведет к вышеописанному резкому росту амплитуд крутильных колебаний и напряжений от них. Вопрос с оценкой теплового состояния ПД-прототипа рассматривается в работе далее.

Для оценки опасности крутильных колебаний в валах стенда также необходимо рассмотреть их изменение относительно частоты вращения установки при наиболее опасном случае - заклинке листовых рессор.

Графики развития напряжений при нормальном техническом состоянии и заклинке листовых рессор ПД-прототипа представлены на рис. 4.15 и 4.16.

21,7 21,3 20,8 20,4 20,0

Частота, Гц

¡■БЕЗ ПРОТОКА МАСЛА ■ НОРМАЛЬНОЕ И ЗАСТОПОРЕННЫЙ ■ СУХОЙ

8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00

у=2 Е-12х6 - 2E-G 9х5 + 1Е-06 (4-0,С 002хЕ + 0,0 i5x2- 1,431 Вх + 3 7,838

ч ♦ R2 = 0 ,8148

У = ЗЕ-] L3xb - JE-10> ь + IE -07х4 R! 2Е-0 = n,q 5xs + G 545 ,0026 х^-0, 1547х + 5,34 81

1 —#-

50

100

150

200

250

Частота вращения, об/мин

■Полиномиальная (ДЕМПФЕР ЗАСТОПОРЕННЫЙ) ^—Полиномиальная (ДЕМПФЕР С ПРОТОЧНЫМ МАСЛОМ)

Рисунок 4.15 - Развитие напряжений в сечении вала у БМ при нормальном состоянии и заклинке листовых рессор [авторская разработка]

Развитие напряжений в сечении вала у ММ с учетом тех. состояния демпфера

5 5,00 I 4,00 £. 3,00 х 2,00 1,00 0,00

50 100 150 200 250

Частота вращения, об/мин

^—Полиномиальная (ДЕМПФЕР ЗАСТОПОРЕННЫЙ) ^—Полиномиальная (ДЕМПФЕР С ПРОТОЧНЫМ МАСЛОМ)

Рисунок 4.16 - Развитие напряжений в сечении вала у ММ при нормальном состоянии и заклинке листовых рессор [авторская разработка]

При построении графиков были использованы полиноминальные зависимости 6-го порядка, с удовлетворительной величиной достоверности аппроксимации от 0,81 до 0,95.

4.4 Оценка достоверности и погрешностей результатов измерений

В качестве методики для обработки тензограмм использовались общеизвестные рекомендации и указания, содержащиеся в работах В.П. Терских [73], П.А. Истомина [29], В.К. Румба [109, 110], М.А. Минасяна [111] и Правилах классификационных обществ - РМРС и РКО [18, 22]. 1. Определение частоты вращения по тензограмме. Определение частоты вращения n (мин-1) по тензограмме осуществляется по периоду цикла колебаний Гцик (с), в программном обеспечении «Astech C-Range Logging Version 2.5.0.1825», пример представлен на рис. 4.17.

Частота вращения n (мин-1), соответственно определяется по формуле

(4.1):

60 (4.1)

п =

Тц

цик

Рисунок 4.17 - Определение периода цикла колебаний по тензограмме

Согласно рис. 4.17, Тцик = 0,448 с, соответственно, п = 60 / 0,448 = 134 мин-1.

Оценивалось не менее 3-х последовательных циклов колебаний и оценки погрешностей по методике определения среднего арифметического значения частоты вращения. Пример определения частоты вращения для участка тензограммы, согласно рис. 4.17, с оценкой погрешности приведен в таблице 4.7.

Таблица 4.7 - Определение частоты вращения по тензограмме

№ Период цикла колебаний Тцик, с Частота вращения п, мин-1 Среднее, мин-1 Абсолютная погрешность, мин-1 Относительная погрешность, %

1 0,448 134 134,7 0,7 0,52

2 0,4445 135 0,3 0,22

3 0,4445 135 0,3 0,22

Данные результаты подтверждаются показаниями применяемого при испытаниях лазерного тахометра «СЕМ» А^6, разница не превышала 2%.

2. Определение порядка гармоники вынужденных колебаний.

Одним из подтверждений достоверности и корректности полученных тензограмм является совпадение порядка гармоник вынужденных колебаний, полученных при измерениях и при расчете.

Для примера приведем таблицу 4.8 с ожидаемыми гармониками крутильных колебаний и резонансных частот вращения.

Таблица 4.8 - Ожидаемые гармоники крутильных колебаний и резонансные

частоты вращения

Гармоники Стенд без демпфера Стенд с ПД-прототипом с проточной системой масла

Частота вращения, мин-1

1 2856 1278

2 1428 639

3 952 426

4 714 320

5 571 256

6 476 213

7 408 183

8 357 160

9 317 142

10 286 128

11 260 116

12 238 107

13 220 98

14 204 91

15 190 85

16 179 80

Порядок колебания будет определяться как количество полных колебаний, совершаемых за один оборот вала.

Приведем пример определения порядка резонансной гармоники и частоты вынужденных колебаний для стенда с установленным ПД-прототипом (рис. 4.18).

АьгесИС-Е^эпдеЬсфдтд - ОЛуниверситет^О^Адель Дн ссертац^я\Ааь'1=> Дамироенч\Мокрый демпфер с проточной систем ой_170725\47ыс_1 фай/иЕШ — О X

1ПГТ1 ±1 Л

кро Г1

%] зпо ) \ Л / 1 \ ! \ \ ! \ I Л Г \ \ \ ' ■А / 1 / / \ / \ / > / \ / | / \ / \ / у С | \ I \ /

700 \] ч , \ { /

34.45; 34.505 34.95? з4.еоэ 34.665 34.70? й

11 Р Поиск —-ЗгА Ш И 0 В ' м ,&зг к 1

Рисунок 4.18 - Определение порядка гармоник крутильных колебаний для

установки с ПД-прототипом

Согласно рис. 4.18, для тензограммы при испытаниях стенда с ПД-прототипом рассматриваемый участок одного периода имеет продолжительность 0,3265 с или 183,8 мин-1. Согласно табл. 4.8, на данной

частоте вращения ожидается проявление резонансов 7-го порядка, что совпадает с количеством полных колебаний на рис. 4.18.

Частота вынужденных колебаний, согласно тензограмме, при этом имеет величину 1250 кол/мин, что на 2,19% отличается от установленной частоты 1278 кол/мин, что меньше допустимого отклонения, согласно требований правил РМРС.

3. Оценка амплитуды крутильных колебаний

Далее приводятся формулы, которые используются при практических анализах торсиограмм и тензограмм, полученных на реальных судах и входящих в методику РМРС, согласно документа «Приложения к руководству по техническому наблюдению за судами в эксплуатации»:

- Математическое ожидание х0:

Хо = (4.2)

0т 47

где Х( - ¡-й член выборки исследуемой случайной величины;

т - объем выборки (числа анализируемых участков торсиограммы).

- Коэффициент вариации, V:

у = 1 Ш1^ (4.3)

\ т-1 '

- Погрешность 5:

6 = ^ (44)

- Верхняя граница доверительного интервала х°:

хо = (1 + 8) • х0, (4.5)

- Нижняя граница доверительного интервала х°:

х20 = (1 -6)- Хо, (4.6)

В качестве примера приведем результаты обработки серии из 10 тензограмм, полученных при длительных испытаниях ПД-прототипа (табл. 4.9), произведенных при одних и тех же условиях.

Таблица 4.9 - Результаты обработки тензограмм серии измерений крутильных колебаний

№ Сечение у БМ Сечение у ММ

Амплитуда колебаний, у.е. Отклонение от среднего, % Амплитуда колебаний, у.е. Отклонение от среднего, %

1 107,3 -1,66 122,3 3,68

2 109,4 0,27 119,1 0,97

3 112,1 2,74 120,2 1,90

4 108,1 -0,93 115,9 -1,75

5 112,9 3,47 114,8 -2,68

6 108,1 -0,93 120,3 1,98

7 109,5 0,36 115,2 -2,34

8 107,8 -1,20 114,5 -2,93

9 111 1,73 119,5 1,31

10 104,9 -3,86 117,8 -0,14

среднее 109,11 117,96

Сечение у БМ

Математическое ожидание, у.е. 109,11

Коэффициент вариации 0,022

Погрешность расчета 0,0070

Верхняя доверительная граница 109,87

Нижняя доверительная граница 108,35

Объем выборки 10

Сечение у ММ

Математическое ожидание, у.е. 117,96

Коэффициент вариации 0,023

Погрешность расчета 0,0073

Верхняя доверительная граница 118,82

Нижняя доверительная граница 117,10

Объем выборки 10

Как видно из таблицы 4.9, погрешность расчета не превышает допустимую величину 0,1.

Величина напряжений в месте наклейки тензодатчиков т1 определялась по формуле:

11 = кп-к/2, (4.7)

где И, у.е. - размах (удвоенная величина амплитуды) колебаний на тензограмме;

кп, МПа/у.е. - средний переводной коэффициент 0,0308061 МПа/у.е,

полученный по результатам тарировки комплекса «Астеч Электроникс» для

140

партии тензометрических резисторов на тарировочной балек равных перемещений СМ-25.

4. Погрешности измерительного оборудования.

При проведении экспериментов использовалось следующее измерительное оборудование:

- Тензометрический комплекс «Astech Electronics» - погрешность определения амплитуды;

- Ноутбук с программным обеспечением «Astech Electronics» -- Astech C-Range Logging Version 2.5.0.1825;

- Набор тензометрических резисторов «Zemic» BBF400-5AA-A(11)-BX30 - электрическое сопротивление 400,3 ± 0,2 Ом;

- Лазерный тахометр «CEM» AT-6 - погрешность ±0,05%;

- Пирометр «Testo» 830-T1 - погрешность ±1,5 °C или ±1,5% от изм. знач. (+0,1 ... +400 °C).

4.5 Оценка параметров крутильных колебаний при изменении технического состояния пружинного демпфера

Как было описано ранее, техническое состояние ПД-прототипа очевидно повлияет на уровень крутильных колебаний, и в данной работе предполагается рассмотреть общие случаи возможных дефектов без подробного анализа.

В исследовании рассматривались тензограммы, полученные на стенде при резонансных частотах для каждого из рассматриваемых случаев состояния пружинного демпфера. Результаты для обоих рассматриваемых сечений стенда представлены на рис. 4.19 и 4.20.

Рисунок 4.19 - Развитие напряжений в валу у БМ при разном техническом состоянии ПД-прототипа при

воздействии резонансных колебаний [авторская разработка]

Рисунок 4.20 - Развитие напряжений в валу у ММ при разном техническом состоянии ПД-прототипа при воздействии

резонансных колебаний [авторская разработка]

Полученные результаты, представленные на рис. 4.19 и 4.20 позволяют сделать следующие выводы:

1. Наиболее опасным техническим состоянием является блокировка листовых рессор, что приводит к росту напряжений до 4 раз при резонансных вынужденных колебаниях по сравнению с нормальным техническим состоянием.

2. Прекращение проточной подачи масла приводит к дополнительному повышению напряжений порядка в 1,3-1,4 раза по сравнению с нормальным техническим состоянием ПД-прототипа.

3. Проточная система подачи масла в большей степени необходима для охлаждения и смазки трущихся деталей ПД-прототипа.

4. Отсутствие масла в ПД-прототипа приводит к повышению напряжений, однако в реальности подобная ситуация с отсутствием масла в проточной части может возникнуть при длительной эксплуатации дизеля и чаще всего исключается при помощи системы контроля. Подобную практику сигнализации изменения давления масла при его подаче в демпфер реализует фирма «Geislmger» в СДД Sulzer и т. д.

В связи с этим, на наш взгляд, основными техническими состояниями ПД, которые могут привести к повышению напряжений, является заклинка листовых рессор или их повреждение, а также нарушение подачи масла. Изучение данных вопросов более подробно является задачей будущих исследований, которые рекомендуется произвести далее в рамках развития разработанной темы.

4.6 Исследование влияния технического состояния силиконового демпфера на развитие крутильных колебаний

Как было рассмотрено ранее, сравнительные испытания силиконового и ПД-прототипа показали снижение величины напряжений от крутильных

колебаний на достаточно близком уровне, что требует более глубокого изучения данного вопроса.

В частности, необходимо оценить, насколько возрастают напряжения при изменении технического состояния силиконового демпфера и сравнить с данными полученными при таких же условиях при установке ПД-прототипа. Специалисты выделяют три технических состояния силиконового демпфера:

1. Нормальное техническое состояние;

2. Состояние с вытеканием силиконовой жидкости;

3. Состояние при заклинке маховой массы внутри корпуса демпфера.

На лабораторном стенде были рассмотрены все три случая технического

состояния демпфера и результаты сравнения при воздействии резонансных частот вынужденных колебаний приведены на рис. 4.21 и 4.22.

Как видно из рис. 4.21 и 4.22, заклинка маховой массы силиконового демпфера приводит к росту напряжений в 2,85 раза (максимально), что меньше, чем у ПД-прототипа. Частичная потеря силикона в демпфере приводит также к росту напряжений в данном случае в 1,8 раза (максимально), но в широком диапазоне частот вращения рост напряжений не столь однозначный, как при заклинке маховой массы. Очевидно, что наиболее опасным состоянием будет полная потеря силикона, которая, согласно ранее проведенным исследованиям д.т.н. М.Н. Покусаева [81], д.т.н. М.М. Горбачева [23, 38], к.т.н. А.Н. Глухова [36], приведет к росту напряжений в 2 раза.

Рисунок 4.21 - Развитие напряжений в валу у БМ при разном техническом состоянии силиконового демпфера при

воздействии резонансных колебаний [авторская разработка]

Рисунок 4.22 - Развитие напряжений в валу у ММ при разном техническом состоянии силиконового демпфера при

воздействии резонансных колебаний [авторская разработка]

4.7 Оценка эффективности пружинного и силиконового демпфера при установке в составе лабораторного стенда

Дополнительно был рассмотрен случай, для такого опасного состояния обоих демпферов как заклинка маховой массы и сохранения частоты вынужденных колебаний на уровне 47,6 Гц. Результаты исследования представлены на рис. 4.23 и 4.24, согласно которым при воздействии нерезонансных колебаний при блокировке маховой массы демпферов напряжения ниже, чем в установке без демпферов, при этом у ПД-прототипа напряжения выше в среднем в 1,6 раза, чем при блокировке силиконового. Также можно отметить, что при блокировке ПД-прототипа на отдельных частотах вращения напряжения становятся выше в среднем до 1,6 раза, чем без установки демпфера вообще, что еще раз подчеркивает важность сохранения исправного технического состояния листовых рессор. Необходимо отметить и опасность блокировки силиконового демпфера, которая может привести к повышению напряжений (и превышения на частоте вращения до 100 мин-1) вплоть до уровня величин, характерных для стенда без установки демпфера, однако данный эффект проявляется в меньшей степени, чем при блокировке ПД-прототипа.

Рисунок 4.23 - Развитие напряжений в валу у БМ при заклинке маховой массы ПД-прототипа и силиконового демпфера

при воздействии колебаний с частотой 47,6 Гц [авторская разработка]

Рисунок 4.24 - Развитие напряжений в валу у ММ при заклинке маховой массы ПД-прототипа и силиконового демпфера

при воздействии колебаний с частотой 47,6 Гц [авторская разработка]

На рис. 4.25 представлена экспериментальная АЧХ ПД-прототипа (с протоком масла) по результатам измерений напряжений в сечениях валов у БМ и ММ стенда.

АЧХ ПРУЖИННОГО ДЕМПФЕРА КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

19,8 20,0 20,2 20,4 20,6 20,8 21,0 21,2 21,4 21,6 21,8 22,0

Частота вынужденных колебаний, Гц

^^СЕЧЕНИЕ ВАЛАУ БОЛЬШОГО МАХОВИКА -^СЕЧЕНИЕ ВАЛАУ МАЛОГО МАХОВИКА

Рисунок 4.25 - Экспериментальная АЧХ ПД-прототипа (с протоком масла)

[авторская разработка]

4.8 Оценка тепловой мощности пружинного демпфера-прототипа

Оценка тепловой мощности ПД-прототипа была произведена по результатам измерения температуры поверхности демпфера без протока масла и испытаний в течении 10 минут на резонансном режиме работы на частоте 20,8 Гц.

Расчет тепловой мощности Р (Вт), которую выделяет демпфер при работе производился по известной формуле:

Р= (4.8)

где т - продолжительность испытаний 10 мин (600 с); Q - теплота, Вт, которая определяется по формуле:

Q = стАТ, (4.9)

где с = 473 Дж/(кг-К) удельная теплоемкость стали 45 при температуре 20-40 оС (293-313 К);

т = 39 кг - масса демпфера;

АТ - разница температуры, К, до и после проведения испытаний, определялась по средним температурам, измеренным пирометром «Testo 830-T1».

Результаты экспериментальной оценки тепловой мощности ПД-прототипа приведены в таблице 4.10.

Таблица 4.10 - Результаты экспериментальной оценки тепловой мощности ПД-прототипа

Параметр Величина

Начальная температура, °С 29,3

Начальная температура, К 302,3

Конечная температура, °С 31,2

Конечная температура, К 304,2

Разница температуры, К 1,9

Масса демпфера, кг 39

Теплоемкость стали 45, Дж/(кг-К) 473

Время работы демпфера, с 600

Тепловая мощность, Вт 58,4

Рассчитанная ранее тепловая мощность ПД-прототипа составила 59 Вт, отличие по результатам эксперимента составляет 1%, что является удовлетворительной сходимостью.

4.9 Выводы по четвертой главе

1. Решена поставленная задача № 4 диссертации и подтверждена практическая значимость - дооборудован лабораторный стенд ИЦ «МТ$» в части разработки системы подачи рабочей жидкости в ПД-прототип, что позволило проводить его испытания (патент на полезную модель № 229811 Ш).

2. Таким образом, можно сделать следующие выводы по эффективности силиконовых и пружинных демпферов при их установке в составе лабораторного стенда, что обуславливает научную новизну исследования и решение поставленной задачи № 5 диссертации:

2.1. При частоте вращения до 250 мин-1 снижение амплитуды напряжений и для пружинного и силиконового демпфера составляет в среднем одинаковую величину в 2,3-3,5 раз - при нерезонансных колебаниях, и до 9,7 раз - при резонансных максимальных напряжениях.

2.2. При частоте вращения свыше 250 мин-1 снижение амплитуды напряжений при установке ПД-прототипа составляет 1,8 раза, а при установке с силиконовым - 1,4 раза при нерезонансных колебаниях, и 3,5 раза и 2,7 раза соответственно при резонансных колебаниях.

2.3. При частоте вращения свыше 470 мин-1 отмечено, что напряжения без установки демпфера и при установке силиконового практически идентичны (в пределах 10%), а при установке ПД-прототипа снижение амплитуд достигается в 2,6 раза.

2.4. Для оценки линейности кривой развития напряжений при использовании обоих типов демпферов была рассчитана дисперсия. Она составила для ПД-прототипа 0,024, а для силиконового 0,034, что свидетельствует о более высокой стабильности функции снижения напряжений ПД-прототипом во всем диапазоне исследуемых частот вращения.