CC BY
38
УДК 629.12.037.4.001.5
А. И. Миронов, А. А. Халявкин Астраханский государственный технический университет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ МНОГООПОРНЫХ СТЕРЖНЕЙ С НЕСТАЦИОНАРНЫМИ И СТАЦИОНАРНЫМИ СВЯЗЯМИ
Одним из основных механизмов двигательно-движительной установки большинства современных судов является валопровод.
Поскольку продолжительность эксплуатации валопровода до очередного ремонта зависит от его напряженно-деформированного состояния (НДС), исследованиям НДС валопровода посвящено большое число работ, но большинство из них выполнено при статическом нагружении.
Однако любое судно представляет собой динамическую систему, на которую воздействуют различные переменные во времени нагрузки. Валопровод, помимо собственного веса и веса установленных на нем устройств, испытывает также действие переменных нагрузок от гидродинамических нагрузок, возникающих при работающем гребном винте и передающихся через подшипники от корпуса судна и со стороны двигателя.
С учетом переменного характера действующих на валопровод нагрузок разработаны различные методы исследования колебаний валопровода [1-3]. Однако при всем различии этих методов все они рассматривают валопровод как балку ступенчато-постоянного сечения, опирающуюся на так называемые «точечные» опоры. Основным недостатком всех методов исследования поперечных колебаний валопровода является то, что они не учитывают реальную длину дейдвудных подшипников и соответственно длину контакта вала с дейдвудными подшипниками.
Однако в литературе отмечается, что условия опирания гребного вала в дейдвуде влияют на его собственную частоту, и некоторые исследователи пытаются учесть этот факт. В [3] вводятся понятия минимальной и максимальной собственной частоты. Е. С. Рейнберг [4] отмечает, что в процессе колебаний собственная частота изменяется. В [5] сделана попытка учесть взаимодействие вала с дейдвудными подшипниками, но и здесь в конце концов расчет сводится к расчету балки на «точечных» опорах. В [6, 7] для определения низшей собственной частоты крупнотоннажных судов предлагается рассматривать часть гребного вала, содержащую консоль с винтом и отрезок над кормовым дейдвудным подшипником.
Таким образом, все известные методики вычисления собственных частот валопровода в той или иной степени являются приближенными и, следовательно, нуждаются в тщательной экспериментальной проверке.
Однако экспериментальных данных по поперечным колебаниям валопроводов в литературе практически не приводится [8].
Наиболее важными вопросами, на которые должны быть получены ответы в результате экспериментальных исследований, с нашей точки зрения, являются следующие:
1. Возможность при расчете поперечных колебаний валов реальные подшипники заменять «точечными» опорами. Если это возможно, то при каких условиях.
2. Сравнительная оценка различных методов расчета поперечных колебаний валопроводов судов.
3. Влияние отрыва вала от подшипника на его колебания.
4. Влияние износа подшипника на колебания вала.
5. Проверка предложенного в [6, 7] метода оценки значений низшей собственной частоты валопровода.
Чтобы ответить на эти и другие вопросы, была разработана экспериментальная установка. Она предназначена для исследования влияния различных факторов на поперечные колебания ва-лопроводов судов, но может быть использована и для изучения поперечных колебаний и других устройств, расчетная схема которых сводится к многоопорной балке.
Принципиальная схема установки представлена на рисунке.
Принципиальная схема экспериментальной установки:
1 - стержень прямоугольного сечения; 2 - стационарные «точечные» опоры; 3 - изменяемые опоры;
4 - диск; 5 - двигатель; 6 - кривошип; 7 - шатун; 8 - ползун; 9 - пружина; 10 - упор;
11 - основание механической части; 12 - основание нагружающего устройства
Стержень 1 опирается на четыре опоры, две из которых 2 - короткие и постоянные, две другие 3 - заменяемые. В зависимости от задач исследования опоры 3 могут меняться как по конструкции (длинные или короткие, одностороннего или двухстороннего действия, жесткие или упругие и др.), так и по расположению. Поскольку собственная частота поперечных колебаний стержней зависит от момента инерции сечения и не зависит от его формы, с целью упростить взаимодействие стержня с опорой (особенно при моделировании износа опоры) сечение стержня принято прямоугольным. На конце консоли установлен диск 4 массой М, имитирующий гребной винт судна.
Особенностью установки является то, что поперечные колебания возбуждаются переменной продольной силой, моделирующей переменный упор, возникающий на работающем гребном винте.
Для создания переменной продольной силы служит специальное нагружающее устройство, включающее двигатель 5, кривошипно-шатунный механизм (кривошип 6 и шатун 7) и нажимное устройство, состоящее из ползуна 8, пружины 9 и упора 10.
При вращении двигателя кривошипно-шатунный механизм сжимает пружину 9, в результате на диск 4 через упор 10 передается переменная по величине сила
Г = Г + Га,
где Г0 - постоянная составляющая силы, величина которой регулируется начальным сжатием пружины; Га - периодическая переменная составляющая силы, закон изменения которой близок к синусоидальному.
Для создания синомоидального закона изменения величины Га в настоящее время прорабатывается вопрос о замене кривошипно-шатунного механизма кулачковым.
Величины Г0 и Га устанавливаются в зависимости от режима испытания.
Частота изменения возбуждающей нагрузки регулируется изменением скорости вращения ротора двигателя.
Так как точка приложения силы Г смещена относительно оси стержня 1 на величину I, то на стержень 1 помимо продольной силы Г действует переменный изгибающий момент
Ми = Г1,
моделирующий гидродинамический момент, возникающий на работающем гребном винте.
Для повышения точности измерения амплитуды поперечных колебаний предполагается использовать две независимые системы измерения:
1. Индуктивные датчики линейных перемещений.
2. Специальное измерительное устройство, использующее тензорезисторы.
В заключение следует отметить, что переменная продольная сила Г вызывает не только поперечные, но и продольные колебания стержня. На начальном этапе исследований параметры
стержня 1 подбираются таким образом, чтобы его собственная частота продольных колебаний была много больше собственной частоты поперечных колебаний. Как известно, в этом случае поперечные колебания можно изучать независимо от продольных. Однако при изменении параметров стержня 1 установка может быть использована и при исследовании совместных продольно-поперечных колебаний стержней.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Николаев В. А. Конструирование и расчет судовых валопроводов. - Л.: Судпромгиз, 1956. - 358 с.
2. Валопроводы судовые. Правила и нормы проектирования. РД 5.4307-79. - Л.: Изд-во судостроит. пром-сти, 1979. - 146 с.
3. Абрамович Б. Г., Меркулов В. А. Уточнение метода расчета изгибных колебаний судовых валопроводов // Судостроение. - 1977. - № 10. - С. 24-28.
4. Рейнберг Е. С. Определение центра давления гребного вала на кормовой дейдвудный подшипник // Судостроение. - 1964. - № 3. - С. 45-47.
5. Вибрация деталей судовых турбоагрегатов / К. А. Прокофьев и др. - Л.: Судостроение, 1966. - 292 с.
6. Миронов А. И., Денисова Л. М. Метод оценки собственных частот валопровода судов // Вестн. Астра-хан. гос. техн. ун-та. Морская техника и технология. - 2000. - С. 44-49.
7. Миронов А. И., Денисова Л. М. Влияние дейдвудных подшипников на колебания валопроводов судов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2004. - № 1 (20). - 130 с.
8. Денисова Л. М., Миронов А. И. Исследование поперечных колебаний гребных валов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2005. - № 2 (25). - С. 98-103.
Получено 23.10.2006
THE EXPERIMENTAL PLANT TO STUDY LATERAL VIBRATIONS OF MULTISUPPORTING SHAFTS HAVING NON-STATIONARY AND STATIONARY BRACING
A. I. Mironov, A. A. Khaliavkin
The article is devoted to the description of an experimental plant. There is a principal model. The plant has a universal character because it helps to study lateral vibrations of the shaft onto both "point" and stretched supports, also lengthwise-lateral vibrations installing complementary measuring equipment. Vibrations become excited with alternating force which models a time variable stop block occurring on a marine propeller. The first two supports are interchangeable that allows to research experimentally influence of different factors on vibration shaft process: shaft detachment from the support; bearing degradation during the process of roller rotation, mechanical characteristics of bearing insert material and etc.
