CC BY
104
УДК 624.042: 629.5.024
ЭФФЕКТИВНАЯ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩАЯ ПОДВЕСКА СУДОВОГО ТРУБОПРОВОДА
И. А. Шинкаренко, В. И. Сутырин
EFFICIENT VIBRATION ISOLATING SUSPENSION FOR SHIP PIPELINES
I. A. Shinkarenko, V. I. Sutyrin
По неопорным связям механизма - воздушным и жидким трубопроводам, жестким кабелям может передаваться значительная вибрационная энергия, сопоставимая с энергией, передаваемой фундаменту механизма через систему амортизации. Если задача снижения передачи вибрации по опорным связям в настоящее время достаточно успешно решается с помощью разнообразных амортизаторов, то проблема эффективной виброизоляции неопорных связей становится все более актуальной. В первую очередь это относится к судовым трубопроводам, являющимся одними из самых распространенных элементов энергетических установок на судах. Судовые двигатели, дизель-генераторы, холодильные машины, котлы и другие крупные механизмы имеют, как правило, по несколько входных и выходных трубопроводов, способных передавать на близлежащие конструкции значительную вибрационную энергию. Для виброизоляции судовых трубопроводов широко применяют виброизолирующие подвески стандартных типов. Однако они не в полной мере обеспечивают требуемое снижение вибрации, передаваемой на удерживающие и опорные конструкции. Вследствие этого через трубопроводы на корпус судна распространяется вибрационная энергия, в некоторых случаях сопоставимая с энергией, передаваемой на фундамент через опорные связи. Несмотря на значительное количество новых конструктивных решений, стандарт на амортизирующие подвески существенно не менялся более 35 лет. В данной работе предложена новая конструкция подвески судового трубопровода, обеспечивающая двухкаскадную амортизацию и эффективно работающая в широкой полосе частот. Стендовые и натурные исследования предлагаемой конструкции виброизолирующей подвески трубопровода показали более высокую ее эффективность по сравнению с подвесками стандартных типов.
вибрация, амортизация, резонанс, виброизоляция, подвеска трубопровода
Through unsupported connections of the mechanism - air and liquid pipelines, rigid cables can transmit considerable vibration energy comparable to the energy transmitted to the foundation of the mechanism through a damping system. If the problem of reducing the transmission of vibration through the support links is currently being successfully solved with the help of various shock absorbers, then the problem of effective vibration isolation of non-support links is becoming ever more urgent. First of
all, this applies to ship pipelines, which are one of the most common elements of power plants on ships. Ship engines, diesel generators, refrigerating machines, boilers and other large mechanisms, as a rule, have several inlet and outlet pipelines capable of transmitting considerable vibrational energy to nearby structures. Vibration isolators of standard types are widely used for vibration isolation of ship pipelines. However, they do not fully provide the required reduction in vibration transmitted to the retaining and supporting structures. As a result, vibratory energy spreads through the pipelines to the hull of the vessel, in some cases it is comparable to the energy transmitted to the foundation through support links. Despite the significant number of new design solutions, the standard for shock-absorbing suspension has not changed significantly for more than 35 years. This paper proposes a new design of the suspension of the ship pipeline, providing two-stage damping and effectively working in a wide frequency band. Bench and field studies of the proposed design of the vibration-damping suspension of the pipeline showed its higher efficiency in comparison with suspensions of standard types.
vibration, shock absorption, resonance, vibration isolation, pipeline suspension
ВВЕДЕНИЕ
Конструктивные особенности виброизолирующих подвесок судовых трубопроводов определены стандартом [1]. Наиболее широкое применение на практике нашли подвески типа VI. Гораздо реже, в основном из-за большей стоимости и сложности монтажа, используются подвески типов ПТАКСС и ПТАП. Подвеска типа VI в большинстве случаев имеет резонансную частоту в вертикальном направлении выше рабочей частоты амортизированного оборудования [2] и, следовательно, эффективно работает, начиная с достаточно высокой частоты (200-300 Гц). В данной подвеске амортизация обеспечивается упругим резиновым элементом, работающим на сжатие. Подвески типов ПТАКСС и ПТАП имеют более сложную конструкцию. Они более громоздки, требуют вертикального расположения упругого элемента, что, в свою очередь, затрудняет их применение. В стандарте [1] приводится график номинальных значений эффективности виброизоляции подвесок, из которого видно, что подвески ПТАКСС и ПТАП хоть и более эффективны, чем подвески типа VI, но все же существенный выигрыш они дают лишь в некотором ограниченном диапазоне частот. Так, подвеска ПТАКСС имеет более высокую эффективность на высоких частотах (более 200 Гц), а ПТАП - на низких. С учетом изложенного становится очевидной необходимость поиска путей повышения эффективности виброизоляции существующих подвесок.
ПРИМЕНЯЕМЫЕ МЕТОДЫ
Амортизирующие подвески трубопроводов должны иметь низкую собственную частоту, обеспечивающую их эффективность, простоту изготовления и удобство монтажа. Последнее требование имеет особое значение в условиях большой насыщенности машинных отделений механизмами и оборудованием и, соответственно, высокой плотностью прокладки трубопроводов в них.
Упругий элемент подвески типа VI, представляющий собой ленту из резины ИРП10-75, не может обеспечить собственную частоту подвески, нагруженную трубопроводом, ниже 35-40 Гц. Для трубопроводов малого диаметра значение собственной частоты может превысить 100 Гц [3]. В данных условиях для обеспечения эффективности подвески целесообразно включить в ее конструкцию дополнительный элемент с большей упругостью, образующий вместе с основным упругим конструктивным элементом каскадную систему амортизации. При этом должны выполняться следующие условия:
1. Необходимо создать механическое сопротивление, гарантирующее эффективную работу амортизирующего элемента во всех трех направлениях;
2. Продуктивная работа подвески должна обеспечиваться с наиболее низких рабочих частот работы механизма, порядка 15-25 Гц;
3. Должны обеспечиваться простота конструкции, удобство монтажа на судне, отсутствие дорогостоящих конструкционных материалов;
4. Подвеска должна изготавливаться в условиях судостроительных заводов и с учетом места установки на судах.
Наиболее простым и эффективным путем реализации данных требований, по мнению авторов, является конструктивная доработка существующей подвески типа VI, состоящей из упругого элемента, двух полухомутов, обжимающих упругий элемент на трубе, и прямого жесткого хвостовика, изготовленного из металлопроката. Данная подвеска проста и повсеместно используется при строительстве судов. Предлагаемая конструкция подвески представлена на рис. 1.
а) б)
"7 / / 7 / / 7~ /
Рис. 1. Конструктивная схема предлагаемой амортизирующей подвески с трехэлементным (а) и двухэлементным (б) хвостовиком: 1 - виброизолирующий низкомодульный элемент; 2 - трубопровод; 3 - фиксирующие полухомуты; 4 - крепежные элементы (болты); 5 - хвостовик;
6 - барьерная масса Fig. 1. Design scheme of the proposed shock-absorbing suspension with three-element (а) and two-element shank (б): 1 - vibration-insulating low-modulus element; 2 - pipeline; 3 - fixing half-yokes; 4 - fastening elements (bolts); 5 - shank; 6 - barrier mass
Прямой хвостовик подвески типа VI имеет относительно высокую жесткость вдоль элемента профиля. Хвостовик предлагаемой подвески изготовлен из двух или трех отрезков профиля, соединенных между собой под прямым углом. Такая Г-образная конструкция обеспечивает необходимую податливость хвостовика в направлении всех трех координатных осей. Кроме того, такая подвеска сравнительно проста в изготовлении. Изготовление и монтаж конструкции может производится «по месту», что делает использование данных подвесок экономически целесообразным.
Для повышения эффективности работы резинового упругого элемента на хвостовике жестко закрепляется груз, выполняющий роль барьерной массы. Центр масс этого груза должен находиться как можно ближе к продольной оси профиля хвостовика. Хвостовик подвески покрывается вибродемпфирующим материалом, например, типа «Адем», который часто используется для покрытия фундаментов виброактивных механизмов [4]. Такая мера позволяет значительно снизить резонансную вибропроводимость элементов хвостовика на высоких частотах.
ПРИНЦИП РАБОТЫ
Таким образом, предлагаемая виброизолирующая подвеска обеспечивает двухкаскадное амортизирующее крепление судового трубопровода. Ее работу можно описать на основе анализа механической системы с двумя степенями свободы (рис. 2).
Рис. 2. Упрощенная расчетная модель подвески Fig. 2. Simplified design model of the suspension
Как известно, амортизирующая система, сформированная указанным способом, проявляет максимальный положительный эффект в зарезонансной частотной области. Уравнение движения системы для недемпфированных синусоидальных колебаний представляется в следующем виде [5]:
-Л[М ]{x} + [C ]{x} = 0, где [М] - матрица масс; [C] - матрица жесткости; {x} перемещений;
[m] =
mj 0 "
0 m2 _ ;[c] =
-c
С + С2
(1)
вектор узловых (2)
c
Л = а2 - для синусоидальных колебаний.
Характеристическое уравнение примет следующий вид:
[ш]- [с]-Я[1] = 0.
(3)
Разложение определителя:
ЯЯ + а Я + а2 = 0,
(4)
где а] и а2 - числовые коэффициенты.
Данное уравнение имеет два корня (А], Х2), определяющих две собственные частоты системы:
Значения частот Fр] и Fр2 полностью характеризуют частотные свойства системы амортизации. Предлагаемая конструкция амортизирующей подвески имеет упругий составной хвостовик, для которого с]>с2 и ш]>ш2. Для нее значения Fр] и Fр2 могут быть приблизительно определены:
Чем ниже собственная частота второго каскада Fр2 тем выше эффективность амортизации в зарезонансной области. Исходя из (6), собственная частота Fр2 зависит от жесткости упругого элемента и величины барьерной массы. Увеличивая барьерную массу, можно повышать эффективность подвески. Однако как показали стендовые испытания, с увеличением барьерной массы используемый для этого груз начинает проявлять собственные резонансные свойства вследствие конечной жесткости его крепления к хвостовику.
Оценка эффективности подвесок в лабораторных условиях может быть произведена как по значению собственной частоты, так и по перепаду вибрации при возбуждении трубопровода. Для испытания подвесок был изготовлен стенд, представляющий собой два идентичных отрезка трубы длиной 1.6 м и внешним диаметром 110 мм, каждый из которых был закреплен на двух испытуемых подвесках. Основание стенда выполнено в виде стальной пластины, приваренной к раме из швеллера. Подвески каждого из отрезков труб были закреплены на опорной пластине симметрично относительно ее центра, что обеспечило равное механическое сопротивление в точках крепления подвесок к основанию. Одной из установленных была Г-образная подвеска предлагаемой конструкции, другой -поочередно подвески типов VI и ПТАКСС (рис. 3).
(5)
(6)
СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Рис. 3. Внешний вид Г-образной подвески и подвесок ПТАКСС и тип VI Fig. 3. Surface appearance of the Г-shaped suspension and the suspensions of PTACS
and VI type
Вибрационные испытания проводись с помощью анализатора спектра B&K PULSE 3560C с датчиками вибрации AP98. При измерении собственных частот трубопровод возбуждался ударным молотком B&K 8208, при измерении перепада уровней вибрации - с помощью вибратора ВМ-3.
Собственные частоты измерялись в трех взаимно перпендикулярных направлениях - вертикальном (Z), поперечном (Y), продольном (X). Результаты измерений приведены в таблице.
Таблица. Сравнение значений собственных частот виброизолирующих подвесок Table. Comparison of the values of natural frequencies and vibration-isolating suspensions_
№ п/п Тип подвески Измеренное значение собственной частоты, Гц
Z Y X
1 Тип VI 45,2 14,2 18,0
2 ПТАКСС 29,4 2,3 11,1
3 Подвеска новой конструкции 12,4 17,7 6,7
Анализируя собственные частоты подвесок в направлении оси Z, в котором податливость опоры максимальна, видим, что подвеска предложенной конструкции имеет наименьшую собственную частоту. Она оказалась более чем в два раза ниже, чем у подвески типа ПТАКСС. Исходя из этого, следует ожидать более высокую эффективность предложенной виброизоляции на низких частотах.
Следует отметить очень низкую собственную частоту подвесок ПТАКСС в направлении Y, обусловленную поворотными колебаниями подвески вследствие точечного болтового крепления амортизатора АКСС в составе конструкции подвески. Данное обстоятельство приводит к тому, что подвески ПТАКСС допускают нагрузку лишь в вертикальном направлении, чем накладываются ограничения на их практическое применение.
Перепады уровней вибрации, измеренные при возбуждении трубопровода вибратором, приведены на графиках рис. 4. Трубопровод возбуждался широкополосным псевдослучайным сигналом в полосе частот 5-2000 Гц. Вибратор ВМ-3, а также измерительный преобразователь устанавливались в вертикальной плоскости. Результаты представлены в третьоктавных полосах частот.
Как видно из графика, в диапазоне частот от 5 до 250 Гц наилучшую эффективность обеспечивает предложенная Г-образная подвеска. Выше частот 200-300 Гц перепад уровней вибрации резко увеличивается, что связано с эффективной работой упругого элемента подвески и промежуточной массы. В данном диапазоне наилучшую эффективность имеет подвеска типа ПТАКСС. Это объясняются наличием в ее конструкции амортизатора АКСС. Г-образная подвеска также дает существенный выигрыш в эффективности относительно подвески типа VI.
_ <•>
-тип VI .......Г-обр -- ПТАКСС
1
1 1 *
1
/ /
/ f
1 1 /
1 .1
- _ — 4 \ V / /
•" > > /
с- £ s> -s •i £ 4 £ 4? 4> 4 «S? ci
Рис. 4. Спектральные перепады вибрации на трубопроводе с подвесками разных
типов при испытании на стенде Fig. 4. Spectral differences of vibration on the pipeline with suspensions of different
types when tested on the test bench
ИСПЫТАНИЯ В УСЛОВИЯХ СУДНА С целью оценки эффективности подвески предлагаемой конструкции были произведены измерения перепадов вибрации на трубопроводе судовой холодильной машины 2МХМВ300, имеющей высокие уровни вибрации неопорных связей. Перепад определялся по разнице в уровнях вибрации, измеренных на трубопроводе (имеющем диаметр 100 мм) и в месте крепления трубы к настилу, в направлении, ему перпендикулярном. Измерения выполнялись как при раскреплении трубопроводов подвеской типа VI, применяемой обычно в качестве виброизолирующей подвески, так и при использовании Г-образной подвески предлагаемой конструкции. Для регистрации сигнала использовался анализатор шума и вибрации SV912AE фирмы SVANTEK (Польша) и датчик вибрации AP98-100. Частотный анализ сигналов выполнялся в третьоктавных полосах частот в диапазоне 10-10000 Гц. Результаты приведены на рис. 5. Как видно из графика, эффективность Г-образной подвески существенно выше, чем широко применяемой
типа VI. При этом полученный результат хорошо коррелирует с результатами стендовых испытаний, несмотря на то, что механическая жесткость основания, на которое закреплялась подвеска, значительно отличалась от жесткости основания стенда.
Fig. 5. Spectral changes in vibration levels of VI type and Г-shaped suspensions when installed on a pipeline of the ship refrigerating machine 2МХМВ300
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Согласно полученным результатам, виброизолирующая подвеска разработанной конструкции, с учетом простоты изготовления и монтажа, может быть предложена как альтернатива подвескам типов ПТАКСС и VI в большинстве случаев применения. Данные подвески внедряются в производство при строительстве заказов на АО «ПСЗ «Янтарь», и на них получено положительное решение ФИПС [6].
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. ОСТ5Р.5398-83, Подвески трубопроводов амортизирующие. Типы, основные параметры и размеры. - Введ. 1985-01-01. - Москва: Изд-во стандартов, 1983.
2. Попков, В. И. Колебания механизмов и конструкций / В. И. Попков, С. В. Попков. - Санкт-Петербург: Сударыня, 2009. - 489 с.
3. Никишов, С. Ю. Новые эффективные виброизолирующие подвески судовых трубопроводов / С. Ю. Никишов. - Москва: Изобретательство, 2013. -Т. XIII, № 11. - С. 25-32.
4. Клюкин, И. И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах / И. И. Клюкин. - Ленинград: Судпромгиз, 1961. - 356 с.
5. Хейлен, В. Модальный анализ: теория и испытания / В. Хейлен, С. Ламменс, П. Сас; под ред. В. И. Смыслова; пер. с англ. - Москва: ООО «Новатест», 2010. - 319 с.
6. Патент на ПМ № 167 723 РФ, МПК F16L55/035, F16L3/11. Виброизолирующая подвеска трубопровода / В. И. Сутырин, И. А. Шинкаренко; Заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «БФУ им. И. Канта»; № 2015146781; заявл. 29.10.2015; опубл. 10.01.2017. - 7 с.
REFERENCES
1. Indystry Standart 5R.5398-83, Podveski truboprovodov amortiziruyushchie. Tipy, osnovnye parametry i razmery [Shock-absorbing pipeline suspensions. Types, basic parameters and dimensions]. Moscow, Standartinform Publ., 1983, 47 p.
2. Popkov V. I. Kolebaniya mekhanizmov i konstrukciy [Vibrations of mechanisms and structures]. Saint-Petersburg, Sudarynya Publ., 2009, 489 p.
3. Nikishov S. Yu. Novye effektivnye vibroizoliruyushchie podveski sudovykh truboprovodov [New effective anti-vibration suspension of ship pipelines]. Moscow, Izobretatel'stvo Publ. 2013, vol. 13, no. 11, pp. 25-32.
4. Klyukin I. I. Bor'ba s shumom i zvukovoy vibratsiey na sudakh [Combating noise and sonic vibration on ships]. Leningrad, Sudpromgiz Publ., 1961, 356 p.
5. Heylen V., Lammens S., Sas P. Modal analysis: theory and tests, Katholieke Universitiet Leuven, 1997, 295 p (Russ. Ed.: Smyslova V. I., Hejlen V., Lammens S., Sas P. Modal'nyy analiz: teoriya i ispytaniya. Moscow, OOO «Novatest», 2010, 319 p.).
6. Patent na PM № 167 723 RF, MPK F16L55/035, F16L3/11. Vibroizoliruyushchaya podveska truboprovoda [Vibration isolating suspension for pipelines]. V. I. Sutyrin, I. A. Shinkarenko. Zayavitel' i patentoobladatel' FGAOU VO «BFU im. I. Kanta»; № 2015146781; zayavl. 29.10.2015; opubl. 10.01.2017, 7 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Шинкаренко Иван Александрович - АО «Прибалтийский судостроительный завод "Янтарь"»; инженер; E-mail: [email protected]
Shinkarenko Ivan Aleksandrovich - Baltic shipyard «Yantar»; Engineer;
E-mail: [email protected]
Сутырин Валерий Игоревич - Балтийский федеральный университет им. И. Канта; Инженерно-технический институт; доктор технических наук, профессор кафедры машиноведения и технических систем; E-mail: [email protected]
Sutyrin Valeriy Igorevich - Immanuel Kant Baltic Federal University; Institute of Engineering and Technology; Doctor of Engineering, Professor of the Department of Machine and Technical Systems; E-mail: [email protected]
