CC BY
82
629.12.037
М. Н. Покусаев, К. О. Сибряев, А. В. Шевченко
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА МАШИННО-ДВИЖИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА СУДНА ПР. 1557
Непостоянство угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя и машинно-движительного комплекса (МДК), как правило, оценивается степенью неравномерности вращения 5:
5 (®max — ®mm)/®ср, (1)
где ютах и ютт - соответственно максимальное и минимальное значения угловой скорости вала двигателя в течение рабочего цикла; юср - среднее значение угловой скорости вала;
®ср (®max + ®min)/2* (2)
Максимальная допустимая степень неравномерности вращения вала должна обеспечивать устойчивость работы двигателя на всех предусмотренных режимах и надёжность пуска двигателя, а также удовлетворять требованиям приемника энергии.
Большая степень неравномерности вращения может повлечь за собой снижение минимальной угловой скорости до нуля; при этом двигатель останавливается (глохнет). Чем меньше отношение 5, тем выше равномерность вращения вала, тем благоприятнее условия работы судового двигателя.
Наиболее распространённым является метод определения махового момента маховика по допустимой степени неравномерности вращения вала двигателя.
Для судовых двигателей, работающих на гребной винт, ориентировочное значение степени неравномерности вращения (при работе двигателя на режиме номинальной мощности) должно находиться в пределах 0,02-0,05 [1-3].
Целью исследования являлось определение связи крутильных колебаний с неравномерностью вращения на резонансных режимах работы МДК, определение значений степени неравномерности вращения на любом режиме работы МДК.
В качестве объекта исследования был выбран МДК судна пр. 1557 «Ватан-1».
Машинно-движительный комплекс двухвальный. В каждую линию вала входят: главный двигатель (6NVD48AU) с силиконовым демпфером (типа В-790, эффективный момент инерции демпфера - 285 Н-м2), проставной вал, промежуточный вал с опорным подшипником и гребной вал на двух дейдвудных подшипниках.
Результаты тензометрирования МДК судна пр. 1557 «Ватан-1» (№ 30-1557-03-07) представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты тензометрирования МДК судна пр. 1557 «Ватан-1»
Форма колебаний Порядок колебаний Частота колебаний N, кол/мин Частота вращения коленчатого вала n, об/мин Фактические напряжения т, МПа Допускаемые напряжения [т], МПа Вал
Одноузловая 6 1 137,1 190 1,65 38,30 Коленчатый
1,78 39,13 Промежуточный
8,68 35,54 Гребной
Двухузловая 9 2 677,2 300 13,3 22,99 Коленчатый
0,98 23,46 Промежуточный
1,03 21,31 Гребной
12 2 677,2 220 6,39 34,97 Коленчатый
0,25 35,72 Промежуточный
0,27 32,23 Гребной
Для определения отклонений угловой скорости вала от среднего значения необходим диск с отметками, нанесёнными через равное расстояние (рис. 1), и отметчик, который фиксировал бы время прохождения каждой метки.
5°±5'
Рис. 1. Диск
Впоследствии значения времени прохождения этих меток пересчитываются в разности во времени прохождения между каждыми метками. Из полученных разностей выбирается максимальная и минимальная разность, что даёт возможность получить степень неравномерности вращения вала по формуле (1), используя следующие зависимости:
Wmax _ Y^mirb (3)
®min Y/tmax, (4)
где у - угол между метками (5°); tmin, tmax - соответственно максимальное и минимальное время прохождения между каждыми метками.
Для определения степени неравномерности вращения вала сконструировано приспособление, позволяющее провести вышеперечисленные измерения. Приспособление состоит из диска (материал - гетинакс) диаметром 320 мм и имеет прорези диаметром 0,4 мм и длиной 10 мм. Угловое расстояние между отверстиями составляет 5° с отклонением в 5'.
Одна из прорезей заклеивается, чтобы в дальнейшем можно было видеть каждый оборот и определить частоту вращения вала. В качестве отметчика используется фотодиод и полупроводниковый лазер (рис. 2).
Рис. 2. Общий вид приспособления:
1 - диск с отверстиями; 2 - полупроводниковый лазер; 3 - фотодиод
Лазер и фотодиод располагаются напротив друг друга и относительно диска таким образом, чтобы луч лазера был параллелен оси установки и был способен проходить через прорези на диске.
Когда луч лазера проходит через отверстия, он попадает на фотодиод и тем самым возбуждает в нём ЭДС. Чтобы зафиксировать всплески ЭДС, наводимые на фотодиоде в момент прохождения луча лазера через отверстия на диске, фотодиод подключается к микрофонному входу звуковой карты компьютера. Сигнал с фотодиода записывается любой программой, способной записывать и редактировать звуковые файлы. Открывая записанный файл, получаем на графике значения амплитуд сигнала и их время относительно начала записи файла. Программа способна фиксировать значение амплитуды с точностью до 1 микросекунды. Но шаг отметок амплитуд сигнала в создаваемом файле составляет порядка 5 микросекунд. Просматривая файл, выбираем время максимального значения амплитуды каждого всплеска сигнала. Рассчитываем разницу во времени между соседними значениями времени максимальных амплитуд сигнала. Из этого массива значений выбираем максимальное и минимальное значения разницы по времени.
Эксперимент проводился при работе МДК на передний (ПХ) и задний ход (ЗХ). Варьировалась частота вращения - от минимально устойчивой (130 об/мин) до номинальной (330 об/мин) с шагом 20 об/мин и на резонансных частотах вращения МДК.
На рис. 3 показан способ крепления приспособления к судовому двигателю.
Рис. 3. Способ крепления приспособления к судовому двигателю
К носовому концу коленчатого вала (со стороны демпфера) при помощи двух шпилек 1 крепится соединшельная муфта 2, к которой присоединен корпус торсиографа 3. К корпусу торсиографа с помощью шести винтов М4 крепится диск 4. На стойке 5 установлены фотодиод с лазером напротив друг друга. Фотодиод подключается к микрофонному входу звуковой карты компьютера 6. Во избежание протечки масла крышка лючка заменена резиновой вставкой 7 с вырезом под корпус торсиографа.
График изменения степени неравномерности вращения представлен на рис. 4.
Частота вращения п, об/мин
Рис. 4. График изменения степени неравномерности вращения
Расчет степени неравномерности вращения проводили по методике [3]. При определении степени неравномерности на режимах работы двигателя, отличных от номинального, подсчитывались все величины, соответствующие данному режиму:
- среднее эффективное давление Ре:
= 2860СЮ • г • Л3еном _ ^ кг/см2, (5)
е г • D • S • П ’
ном
где i - тактность двигателя; Ыном - номинальная мощность двигателя; г - число цилиндров двигателя; D - диаметр цилиндра; - ход поршня; пном - номинальная частота вращения; п - данная частота вращения;
- мощность двигателя Ые [4]:
Ые = 1,745 • D2 • 5 • п • Ре • г • i, (6)
- коэффициент избытка воздуха а£:
N
/ Л-0,2
АТ \
е
х N ,
V еном у
-1,9; (7)
- температура выпускных газов іг [5]:
/ \0,6
( N. л
І
г
tгном
= 0,895 •
■ + 0,2
N ,
V еном у
(8)
Давление сгорания (Рг) и давление наддува (Рк) выбирались согласно винтовым характеристикам двигателя 6№УО 48Аи.
Расчет степени неравномерности вращения проводили в предположении, что валопровод МДК является абсолютно жестким на кручение, а механические потери отсутствуют. Степень неравномерности вращения на резонансных частотах вращения складывалась из 5 и степени неравномерности вращения, обусловленной наличием вынужденных крутильных колебаний 5к [6]:
Зк =~2г- (^1, (9)
®ср • 10 I V )
где 10 - суммарный момент инерции всей валовой линии; Му - возмущающий гармонический момент у-го порядка; V - порядок колебаний.
Расчет параметров для определения степени неравномерности вращения сведён в табл. 2.
Таблица 2
Расчет параметров для определения степени неравномерности вращения
Еном
п 130 160 190 220 250 280 300 330
Ре, МПа 0,119 0,180 0,254 0,340 0,440 0,551 0,633 0,766
Ме, кВт 29,81 55,60 93,15 144,56 211,94 298,04 366,81 488,32
а£ 5,709 4,640 3,850 3,238 2,746 2,341 2,110 1,800
Іг, К 428,95 447,19 471,66 502,26 538,74 580,79 611,75 663,00
Р2, МПа 4,08 4,26 4,53 4,8 5,1 5,4 5,76 6,0
Рк, МПа 0,115 0,115 0,115 0,115 0,116 0,119 0,123 0,127
Рс, МПа' 3,761 3,76 3,757 3,767 3,788 3,88 4,012 4,147
Г 1,085 1,133 1,206 1,274 1,346 1,35 1,4 1,43
Lизб, кДж 17,71 17,88 17,99 18,28 18,41 19,06 19,85 20,86
5 0,1268 0,0845 0,0603 0,04569 0,0356 0,0294 0,0267 0,0232
Давление сжатия;
Степень повышения давления.
Избыточная работа вращающего момента, кДж.
В результате экспериментов выявлены следующие особенности:
- при резонансе наблюдается резкое (на 20 %) увеличение степени неравномерности вращения вала (наиболее опасный резонанс от двухузловой формы колебаний през = 300 об/мин, V = 9);
- при слабых резонансах не происходит заметного увеличения степени неравномерности вращения;
- при увеличении частоты вращения степень неравномерности вращения уменьшается (исключая резонансный режим работы);
- при резонансном режиме работы степень неравномерности вращения складывается из степени неравномерности вращения для абсолютно жесткого валопровода и степени неравномерности вращения, обусловленной наличием вынужденных крутильных колебаний;
- степень неравномерности вращения при работе МДК на задний ход превышает (на 14-20 %) степень неравномерности вращения при работе МДК на передний ход.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / Д. Н. Вырубов, С. И. Ефимов, Н. А. Иващенко и др.; Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1984. - 384 с.
2. Самсонов В. И., Худов Н. И. Двигатели внутреннего сгорания морских судов. - М.: Транспорт, 1990. - 368 с.
3. Судовые двигатели внутреннего сгорания / Ю. Я. Фомин, А. И. Горбань и др. - Л.: Судостроение, 1989. - 344 с.
4. Проклятиков П. Н., Долгополов Н. С. Двигатели внутреннего сгорания. Динамика двигателей внутреннего сгорания. - М.: Военное изд-во Мин-ва обороны СССР, 1958. - 356 с.
5. РТМ 2120142-86. Схемы утилизации теплоты судовых дизелей. Т ехнико-эксплуатационные требования.
6. Проектирование тепловозных двигателей / В. В. Водолажченко и др. - М.: Транспорт, 1972. - 224 с.
Статья поступила в редакцию 30.01.2008
EXPERIMENTAL DETERMINATION OF THE DEGREE OF IRREGULAR ROTATION OF A SHAFT IN THE PROPULSION UNIT OF SHIP DESIGN N 1557
M. N. Pokusaev, K. O. Sibryaev, A. B. Shevchenko
A new method for the determination of the degree of irregular rotation of a shaft is proposed, instrument for its execution is created. Testing was carried out at part-load operation of the propulsion unit of the ship design N 1557 "Vatan-1" during forward and backward running. The experiment gave the following results: the degree of irregular rotation of a shaft is increasing at resonance; when increasing the engine speed the degree of irregular rotation is decreasing (excluding resonance); the degree of irregular rotation when the propulsion unit works in backward running mode exceeds the degree of irregular rotation when the propulsion unit works in forward running mode by 14-20 %.
Key words: irregular rotation, the degree of irregular rotation.
