СОДЕРЖАНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ...........................................................5
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ ВИБРОЗАЩИТЫ 6
1.1. Исследование источников вибрации ...........................6
1.2. Способы виброзащиты механизмов...............................7
1.3. Основные характеристики пневмогидравличсской виброизолирующей опоры............................................................14
1.4. Выводы по главе. Постановка задачи..........................17
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩЕЙ ОПОРЫ.............................................................19
2.1. Предварительные замечания...................................19
2.2. Стационарный случай движения жидкости по проточной части пневмогидравлической виброизолирующей опоры......................22
2.2.1. Движение жидкости по цилиндрическому участку проточной части пневмогидравлической виброизолирующей опоры.................22
2.2.2. Движение жидкости через регулирующий клапан пневмогидравлической виброизолирующей опоры :...............28
2.2.3. Определение расхода при движении жидкости по проточной части пневмогидравлической виброизолирующей опоры...............•.36
2.3. Нестационарный случай движения жидкости по проточной части пневмогидравлической виброизолирующей опоры......................37
2.3.1. Движение жидкости по цилиндрическому участку проточной части пневмогидравлической виброизолирующей опоры ...............37
2.3.2. Движение жидкости через регулирующий клапан пневмогидравлической виброизолирующей опоры.................44
2.4. Выводы по главе............................................ 52
ГЛАВА 3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ ПО ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩЕЙ ОПОРЫ .................54
3.1. Стационарный теплообмен при течении жидкости по проточной части пневмогидравлической виброизолирующей опоры..................54
3.1.1. Расчёт теплообмена, возникающего при движении жидкости на цилиндрическом участке проточной части пневмогидравлической виброизолирующей опоры............................... 54
3.1.2. Расчёт теплообмена при движении жидкости через регулирующий клапан пневмогидравлической виброизолирующей опоры.....66
3.2. Нестационарный теплообмен при течении жидкости по проточной части пневмогидравлической виброизолирующей опоры............71
3.2.1. Расчёт теплообмена при движении жидкости на цилиндрическом участке пневмогидравлической виброизолирующей опоры....71
3.2.2. Теплообмен при течении жидкости через регулирующий
клапан пневмогидравлической виброизолирующей опоры........75
3.3. Выводы по главе.........................................81
ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ
ВИБРОИЗОЛИРУЮЩЕЙ ОПОРЫ...................................... 83
4.1. Силовые характеристики пневмогидравлической виброизолирующей опоры........................................................83
4.2. Вынужденные колебания пневмогидравлической виброизолирующей опоры........................................................89
4.3. Выводы по главе.........................................96
ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩЕЙ ОПОРЫ...................97
4
5.1. Инженерный расчёт основных характеристик гидравлического регулирующего клапана для пнсвмогидравлической виброизолирующей опоры........................................................... 97
5.2. Инженерный расчёт торцевого уплотнения пневмогидравличсской полости..........................................................103
5.3. Исследование силовой характеристики пневмогидравлической виброизолирующей опоры.......................................... 106
5.4. Измерение температуры масляного слоя в клапане проточной части опоры............................................................110
5.5. Лабораторные исследования пневмогидравлической виброизолирующей опоры...........................................112
5.6. Результаты проведённых лабораторных и экспериментальных исследований. Выводы по главе....................................118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................119
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................121
5
ВВЕДЕНИЕ
В ряду наиболее активных отрицательных воздействий на человека стоит вибрация и шум машин, приборов и оборудования.
Проведение государственной аттестации рабочих мест по условиям труда на речном транспорте поставило новые проблемы по улучшению санитарно-гигиенических условий труда и внедрению современных средств техники безопасности, так как на большинстве эксплуатирующихся машин и механизмов уровни вибрации превышают допустимые значения. Как показывают проведённые исследования, использование существующих виброизоляторов в упругих подвесках машин недостаточно эффективно. Следовательно, разработка новых устройств внброизоляции для строящихся и эксплуатируемых машин и механизмов в настоящее время является актуальной задачей. Решению этой задачи и посвящена настоящая диссертационная работа.
Для достижения поставленной цели разработан способ снижения уровней вибрации судовых дизель-генераторов плавучих кранов путём установки в упругую подвеску пневмогидравлических виброизолирующих опор.
Использование разработанного способа внброизоляции позволяет снизить как уровни вибрации самого дизель-генератора, так и уровни вибрации, передаваемые на корпус плавкрана.
На защиту выносятся следующие положения:
• конструкция пневмогидравлической виброизолирующей опоры, предназначенной для установки в подвеске дизель-генератора плавучего крана;
• результаты аналитических исследований пневмогидравлической виброизолирующей опоры;
• результаты лабораторных и натурных испытаний пневмогидравлической виброизолирующей опоры.
Глава 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ ВИБРОЗАЩИТЫ
1.1. Исследование источников вибрации
Колебательные движения относятся к числу наиболее распространённых в природе и технике, что объясняется следующим: большинство сил и моментов либо имеют периодический характер, либо содержат пульсационные составляющие. Спектр частот при колебательных движениях очень широк, и вероятность возникновения резонансных ситуаций велика. Существует два аспекта исследования явления колебаний в технике: создание механизмов и машин, использующих колебательный режим, и защита от колебаний.
Колебательные движения могут быть разбиты на два класса: вибрации и сотрясения. Вибрации происходят на частотах возбуждающих сил, а сотрясения - на частотах свободных колебаний. Спектр регистрируемых частот при вибрациях и сотрясениях составляет от 0,1 до 10000 Гц, поэтому возникает острая необходимость защиты элементов техники и людей от колебаний, используемых в механизмах. Перед производителями техники ставятся такие важнейшие задачи как сохранение здоровья людей, использующих технику, уменьшение их утомляемости и улучшение условий комфортабельности их рабочих мест. Эти проблемы становятся всё более острыми, и, значит, возникает необходимость в значительном увеличении виброзащиты, но не занимаясь усовершенствованием уже созданных машин и механизмов, а прогнозированием возможностей вредных влияний вибраций, что позволило бы значительно сократить работы по проверке каждого экземпляра механизма на виброзащищён ность.
Основным источником вибрации судна являются гребные винты и судовые энергетические установки (СЭУ): тепловые двигатели и дизель-генераторы. Среди множества видов СЭУ только двигатели внутреннего
сгорания (ДВС) можно считать существенным источником вибраиии из-за наличия внешних дисбалансов первичных и вторичных сил и пар сил [16, 28].
Неуравновешенность сил инерции и моментов двигателей внутреннего сгорания вызывает их низкочастотную вибрацию. Наряду с низкочастотной присутствует и высокочастотная вибрация, обусловленная в основном ударами и трением в деталях и узлах кривошипно-шатунного механизма, газодинамическими колебаниями давления при сгорании топлива в цилиндрах. Высоко- и среднечастотные колебания ДВС передаются по судовым конструкциям в виде структурного шума.
1.2. Способы виброзащиты механизмов
Существует десять принципов современной виброзащиты [35], которые можно представить в виде следующей блок-схемы:
Принцип Принцип Принцип
системного без резонансное™ объемности
подхода виброизоляции
11ринцип коллективности и индивидуальности средств зашиты
Принцип сочетания виброзапоггы с ударозапрггой
„Принцип сочетания інутрешіей и внешней виброизоляции
Принцип защиты от шумности
Принцип Принцип Принцип
взаимосочетання увеличения сочетания активной
конструкционной и циклической прочности и пассивной
обычной виброзащит деталей и изделий виброизоляции
Рис. 1.1. Схема основных принципов виброзащиты
8
Дадим более подробное описание, представленным в блок-схеме (рис. 1.1) принципам:
• принцип системного подхода. К виброзащите заданного объекта надо подходить как к упруго-инерционной системе и решать проблему защиты в целом;
• принцип безрезонансности. Система виброзащиты объекта должна обеспечить практическое или полное отсутствие всех защищаемых точек резонансных амплитуд;
• принцип объёмности виброизоляции. Для большинства движущихся средств возмущающие силы и моменты, а также ударные нагрузки не имеют одномерной и даже плоской направленности;
• принцип коллективности и индивидуальности средств защиты. Коллективные средства защиты изделия могут быть рассчитаны на основной диапазон частот, а индивидуальные - на избирательный;
• принцип сочетания внутренней и внешней виброизоляции. Внутренняя
защита включает динамическую балансировку. Но вместе с тем может остаться необходимость защиты и самого механизма при помощи специальной виброизоляции;
•»
• принцип взаимосочетаний конструкционной и обычной виброзащит.
Под конструкционными понимаются устройства антиволноводов в самом сооружении между воспринимающими и несущими его частями;
• принцип защиты от шумности. Повреждающие и опасные для
человека вибрации, как правило, сопровождаются непомерными
шумами;
• принцип сочетания виброзащиты с ударозащитой. Защита от
длительных вибраций, происходящих на частотах внешних сил, и защита от кратковременных потрясений, побуждаемых ударными
9
нагрузками и проходящими на собственных частотах конструкций, имеют свои особенности;
• принцип увеличения циклической прочности деталей и изделий. Это одно из наиболее эффективных средств обеспечения виброудароизоляции, увеличения прочности в отношении к длительным и кратковременным колебаниям;
• принцип сочетания активной и пассивной виброизоляции. Рассмотрим этот принцип подробнее.
В ряде случаев при защите от колебаний приходится прибегать к активной виброизоляции, содержащей обратную связь и дающую возможность приводить средства защиты в соответствие с меняющимся характером колебаний. Это, однако, не противоречит и широкому применению в данном объекте и пассивных средств виброзащиты.
Существует множество различных методов виброзащиты. Один из таких методов, получивших название «метод борьбы с вибрацией в источнике» [17], заключается в специальной организации рабочего процесса двигателя и конструктивном выполнении его узлов, а также в улучшении технологии изготовления и обработке деталей двигателя. Такие мероприятия как точное уравновешивание действующих сил и моментов, применение материалов с повышенным внутренним трением для изготовления отдельных узлов двигателя позволяют значительно снизить уровни вибрации тепловых двигателей. Но в тоже время это влечёт за собой изменение конструкции двигателя, увеличение его массы, что требует укрепления набора перекрытия машинного отделения.
Метод, называемый демпфированием, также широко используется на речном флоте. Покрытие наружных поверхностей деталей и узлов судовых тепловых двигателей демпфирующими материалами позволяет несколько снизить уровни вибраций. В демпфирующих материалах, обладающих высоким внутренним трением, энергия механических вибраций переходит в тепловую
10
энергию. При использовании таких материалов в конструкции, сокращается время затухания свободных колебаний и, тем самым, уменьшается суммарная амплитуда колебаний. Однако эффект любых вибропоглощающих покрытий наблюдается лишь на резонансных частотах, (то есть на средних и высоких частотных уровнях) несущей металлической конструкции. Вне резонансов, т. е. на низких частотных уровнях, глушение колебаний конструкций покрытием практически отсутствует [34].
Снижение низкочастотной вибрации достигается следующим методом виброзащиты: установкой специальных устройств - динамических
виброгасителей. При их реализации противодействие колебаниям механизма осуществляется за счёт реакций, передаваемых на него присоединёнными виброгасителями, масса которых составляет 5 - 20 % приведённой массы походной системы. Недостатком всех динамических гасителей является их большие габариты,, затрудняющие установку на тепловых машинах. У нерегулируемых виброгасителей на переходных режимах работы двигателя падает эффективность. Регулируемые динамические гасители колебаний требуют наличия системы регулирования и подвода к ней энергии. Виброгасители без трения эффективны только в узкой полосе частот. Более широкую полосу частот обеспечивают виброгасители с трением, но они менее эффективны.
Наиболее эффективным и распространённым методом виброзащиты в последнее время является метод виброизоляции. Распространение виброизоляции по корпусу судна ограничивают путём установки тепловых машин на упругие специальные опоры - виброизоляторы. Это позволяет снизить уровни вибрации на 10 - 15 дБ по сравнению с жёстким креплением машинного отделения [29]. Сушеегвуют методы виброизоляшш с активными и пассивными системами.
В активных системах виброгашения используют дополнительный источник вибрации, получающий возбуждение от виброприёмника,
11
расположенного в определённом месте вибрационного поля. Информация, полученная от виброприемника, обрабатывается с учетом расстояния между местом приёма и переизлучения, характера вибропровода, моды колебаний, которую необходимо ослабить, а также свойств виброприёмника и дополнительного источника.
При использовании активных систем виброзащиты в вибрационное поле вводится дополнительная колебательная энергия. Основной принцип компенсации колебаний - введение в область колебаний той же моды и амплитуды, но фазы, отличающейся от фазы существующих первичных колебаний на 180°. Существенным ограничением применения метода активной виброзащиты является невозможность обеспечения широкой частотной полосы гашения колебаний различных мод.
В качестве дополнительного источника вибрации используют гидравлические, пневматические, электромеханические и электромагнитные системы. При необходимости обеспечения высокой статической жёсткости целесообразно использовать гидравлические системы. Пневматические системы позволяют получать малые величины статической жесткости. Электромагнитные системы обладают малой инерционностью н позволяют в широких пределах изменять амплитудно-частотные характеристики.
Вибрационная защита с помощью активных систем высокоэффективна в области низких частот, но ввиду их больших габаритов и стоимости, сложности в изготовлении, обслуживании, монтаже, охвате небольшой полосы гашения колебаний, активные системы не нашли широкого применения в качестве виброизоляторов под тепловыми машинами.
В промышленности и на транспорте получили распространение пассивные опорные виброизоляторы, обеспечивающие снижение колебаний в одном направлении. Преимущество пассивных систем состоит в том, что такая виброизоляция не требует принципиальных изменений энергетической установки и может быть применена на любом транспорте. Также немаловажна незначительная стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации
- Київ+380960830922