CC BY-NC
41
Н.В. Волкова1, В.И. Голованов1, В.В. Медведев2
1 ФГУП «Крыловский государственный научный центр»,
2 Военный институт (Военно-морской политехнический) ВУНЦ ВМФ ВМА, Санкт-Петербург
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИТНО-ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АМОРТИЗИРУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
Объект и цель научной работы. Как эффективное средство борьбы с вибрацией корабельных систем и механизмов рассмотрен сборный амортизатор с упругим элементом, выполненным из композитно-волокнистого материала.
Материалы и методы. Приведена классификация амортизаторов в зависимости от материала, используемого в упругом элементе. Проведены экспериментальные исследования на стендах, имитирующих реальные эксплуатационные воздействия.
Основные результаты. Обоснованно выбран композитно-волокнистый материал, обладающий рядом преимуществ по сравнению с дисперсно-упрочненным. Определены основные физико-механические характеристики амортизаторов, в том числе продольные и поперечные статические нагрузочные характеристики. Оценено изменение свойств амортизаторов при воздействии повышенных температур, масла и топлива и других агрессивных сред.
Заключение. Использование композитно-волокнистых материалов в корабельных амортизаторах является перспективным направлением развития средств виброизоляции. Измерения перепадов вибрации на раме дизель-генератора и узлах крепления амортизатора к настилу палубы на тральщике Черноморского флота и длительный опыт эксплуатации в корабельных условиях подтверждают работоспособность и пригодность дальнейшей эксплуатации данного класса амортизаторов на заказах ВМФ.
Ключевые слова: амортизатор, композитно-волокнистый материал, испытания, перепад. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
Для цитирования: Волкова Н.В., Голованов В.И., Медведев В.В. Использование композитно-волокнистых материалов для амортизирующих конструкций. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 3(381): 129-132.
УДК 62-752 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-129-132
N.V. Volkova1, V.I. Golovanov1, V.V. Medvedev2
1 Krylov State Research Centre, Moskovskoe shosse 44, St. Petersburg, Russia
2 Naval Polytechical Institute of the Naval Academy, Kadetsky Bulvar1, Pushkin, St. Petesburg, Russia
APPLICATION OF COMPOSITE-FIBER MATERIALS IN SHOCK-MOUNTING STRUCTURES
Object and purpose of research. A shock-mounting assembly with an elastic element made of a composite fiber is investigated in this paper as an efficient vibration insulation tool for marine systems and machinery.
Materials and methods. The paper classifies the shock mounts with respect to the material applied in the elastic element. The experimental studies performed in the laboratory conditions were simulating real operational loads.
Main results. The paper provides a justified selection of a composite fiber offering a number of advantages as compared to the dispersion-hardened one. The main physical & mathematical properties of the shock mounts, including longitudinal and transverse static loads, were determined. The paper assesses the change in the properties of the shock mounts due to elevated temperature, oil, fuel and other aggressive media.
Conclusion. Application of composite-fiber materials in marine shock mounts is a promising development direction for vibration insulation tools. The measurements of vibration fluctuations taken on the diesel generator frame and the fastening between the shock mount and the deck floor of a Black Sea Fleet minesweeper, as well as long experience of operation aboard real ships, confirm opera-bility of this class of shock mounts, as well as its suitability for further application aboard the ships of the Russian Navy.
Keywords: shock mount, composite fiber, tests, fluctuations.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
For citations: Volkova N.V., Golovanov V.I., Medvedev V.V. Application of composite-fiber materials in shock-mounting structures. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 3(381): 129-132 (in Russian).
УДК 62-752 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-129-132
Вибрации являются одной из основных причин подводного шума подводных лодок (ПЛ), они отрицательно влияют на прочность и надежность работы корабельных механизмов, несущих корпусных конструкций и систем [1].
Шум, возникающий в отсеках ПЛ от вибрации механизмов, оказывает вредное воздействие на человека. Особенно негативно это проявляется в период длительных плаваний - возрастает утомляемость, снижаются показатели сосредоточенного внимания и другие качества, необходимые для выполнения боевой задачи. Пагубно воздействуют на организм человека акустические колебания и вибрации некоторых частот инфразвукового диапазона и звуки, интенсивность которых превосходит порог болевого ощущения [2].
На первом месте по эффективности методов и средств борьбы с вибрацией [3] корабельного энергетического оборудования находятся амортизаторы [4]. Амортизаторы, устанавливающиеся под оборудование, технические средства и механизмы, выполняют двойную роль [2, 5, 6]:
■ обеспечивают защиту корпусных конструкций, фундаментов от вибрирующего оборудования, а также защиту оборудования от вибрирующих корпусных конструкций;
■ обеспечивают защиту оборудования от взрывов, ударов и других сотрясений.
За последние 60 лет спроектировано, изготовлено и введено в эксплуатацию несколько десятков видов амортизаторов, различающихся принципом действия, виброизоляционной эффективностью, несущей способностью, размерами и т.д. [7].
В зависимости от материала используемого упругого элемента амортизаторы подразделяются на следующие типы: резинометаллические, металлические, пневматические, магнитожидкостные, композитно-волокнистые.
Композитно-волокнистые материалы получили широкое распространение в различных отраслях благодаря уникальным сочетаниям своих физических и конструктивных особенностей, таких как долговечность и стойкость в условиях агрессивных сред, простота эксплуатации и ремонта. Кроме того, они могут быть разработаны и изготовлены с заранее заданным набором свойств, например, с высокой упругостью, повышенной ударной прочностью, термостойкостью и т.п., что может существенно повысить эксплуатационные характеристики выполняемых из них конструкций, в том числе и амортизирующих.
Композиционными являются материалы, состоящие из двух или более компонентов - отдельных волокон или других армирующих составляющих и связующей их матрицы. Они имеют специфические результирующие свойства, которые отличаются от первоначальных свойств составляющих их компонентов [8].
Композиционные материалы классифицируются по виду армирующего наполнителя на волокнистые и дисперсно-упрочненные. В волокнистых композитных материалах армирующим компонентом служат волокнистые структуры, а в дисперсно-упрочненных - различные частицы.
Для создания корабельных амортизаторов более предпочтительными являются волокнистые
Рис. 1. Амортизатор сборный композитный АСК-500
Fig. 1. ASK-500 composite-based shock mount assembly
0 1 2 3 4 5 6
Рис. 2. Статическая нагрузочная характеристика амортизатора АСК-500 в направлении оси Z
Fig. 2. Static load on ASK-500 shock mount in Z direction
N.V. Volkova, V.I. Golovanov, V.V. Medvedev Application of composite-fiber materials in shock-mounting structures
материалы, которые по сравнению с дисперсно-упрочненными материалами обладают более высокой прочностью, не требуют пуансонов и матриц для прессового оборудования. Изменяя количественный и качественный состав волокон, можно целенаправленно влиять на требуемые характеристики изделия.
В 1991 г. в проблемной лаборатории представителями ВВМИУ, в/ч 27177, ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова и СПМБМ «Малахит» был разработан амортизатор сборно-композитный АСК-500 (рис. 1), на конструкцию которого получен патент [9].
Он состоит из нескольких упругих элементов, выполненных в виде разрезных колец, установленных коаксиально со смещением их разрезов относительно друг друга и закрепленных между профилированными шайбами при помощи стяжных винтов. Шайбы крепятся гайками к верхней и нижней опорным плитам [3]. В верхнюю опорную плиту запрессованы гайки для монтажа оборудования, а в нижней опорной плите имеются отверстия для соединения с фундаментом, причем все крепежные отверстия расположены в соответствии с требованиями ГОСТ к штатным корабельным амортизаторам. Детали, содержащие резьбы, выполнены металлическими из немагнитной стали.
Испытания амортизаторов АСК-500 проводились на стендах ВМПИ и ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова, где определялись:
■ продольные и поперечные статические нагрузочные характеристики;
■ изменение свойств амортизаторов при воздействии повышенных температур, масла и топлива, и др.
На рис. 2 представлена статическая нагрузочная характеристика амортизатора АСК-500 в направлении оси Z
Композитные амортизаторы проходили испытания на термостойкость в лаборатории ЦКБ МТ «Рубин», и после нахождения в открытом огне в течение 20 мин. сохранили работоспособность.
Опытная партия амортизаторов была направлена на Черноморский флот для установки на тральщике пр. 266М «Сигнальщик» под носовой дизель-генератор ДГ-200 массой 4,5 т. Амортизаторы АСК-500 в количестве 14 штук были установлены как опорные взамен штатных резинометаллических амортизаторов АР-500.
Виброизмерения проводились специалистами КИМЭС-5 и ВВМИУ. В качестве точек замера уровней вибрации были выбраны точки в местах установки амортизаторов - на раме дизель-генератора
Величины перепадов вибрации Vibration fluctuations
Оборотная частота, Гц 25 31,5 40 50
Перепад вибрации, дБ 21 28 37 41
и на болте крепления амортизатора к настилу палубы. По результатам измерений амортизатор АСК-500 на оборотной частоте 25 Гц перепад вибрации составил 21 дБ (см. таблицу).
Амортизаторы АСК-500, установленные в амортизирующем креплении дизель-генератора, успешно работают и по сегодняшний день. В январе 1993 г. был произведен осмотр амортизирующего крепления с АСК-500. В результате осмотра установлено следующее:
■ на элементах амортизаторов имелись потеки масла и топлива, которые не повлияли на характеристики композиционных материалов;
■ элементы амортизаторов никаких трещин и механических повреждений не имели;
■ все 14 амортизаторов были пригодны к дальнейшей работе. По результатам натурных испытаний сборно-композитных амортизаторов был составлен акт.
В феврале 1994 г. было составлено еще одно заключение о работе амортизирующего крепления из сборно-композитных амортизаторов. К тому времени дизель-генератор с момента установки проработал 2304 ч. Амортизаторы не имели механических повреждений и были пригодны к дальнейшей эксплуатации.
Таким образом, использование композитно-волокнистых материалов в корабельных амортизаторах является перспективным, что подтверждено эксплуатацией в корабельных условиях.
Библиографический список
References
1. Скроба ЮА., Светличный В А. Методы и средства защиты корабля по гидроакустическому полю. СПб: ВМИИ, 1999. [Yu. Skroba, V. Svetlichny. Methods and tools of ship protection in terms of sonar signature. St. Petersburg: Naval Engineering Institute; 1999. (in Russian)].
2. ЯкушенкоЕ.И., МедведевВ.В., РябухаМ.В. Судовые виброизоляторы из композиционных материалов // Материалы VI Международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики».
СПб., 2002. С. 87-91. [Ye. Yakushenko, V. Medvedev, M. Ryabukha. Marine vibration insulators made of composite materials // Transactions of the VIth International Conference Applied technologies in hydroacoustic and hydrophysics. St. Petersburg: 2002: 87-91. (in Russian)].
3. Медведев ВВ. Методы и средства изменения вибраций корабельных механизмов. Дис. ... канд. техн. наук. СПб.: ВМИИ, 1998. [V. Medvedev. Methods and tools to control vibration of ship machinery. Dissertation for the degree of the Candidate of Technical Sciences. St. Petersburg: Naval Engineering Institute; 1998. (in Russian)].
4. ИоновА.В. Средства снижения вибрации и шума на судах. СПб: ЦНИИ им. А.Н. Крылова, 2000. [A. Ionov. Noise and vibration damping tools for ships. St. Petersburg: Krylov Shipbuilding Research Institute; 2000. (in Russian)].
5. Медведев ВВ., Лукьянов РВ. Разработка технических средств снижения вибрации. Отчет о НИР. Шифр «Вибрация». СПб.: ВМИИ, 2005. [V. Medvedev, R. Lukyanov. Development of vibration damping tools. Report on the R&D Project. Title Vibration. St. Petersburg: Naval Engineering Institute; 2005. (in Russian)].
6. Мышинский Э.Л. Борьба с шумом и вибрацией в инженерной практике. СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2011. [E. Myshinsky. Noise and vibration damping in the engineering practice. St. Petersburg: Krylov Shipbuilding Research Institute; 2011. (in Russian)].
7. Альбом разрешенных к применению амортизирующих конструкций. № 035-76.059 (РН-80). СПб.: ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова». 1980. [Album of the shock mounting structures approved for operation. No. 035-76.059 (РН-80). St. Petersburg: Krylov Shipbuilding Research Institute; 1980. (in Russian)].
8. Тарнопольский ЮМ, Жигун И.Г, Поляков В А. Пространственно-армированные композиционные материалы. М.: Машиностроение, 1987. [Yu. Tarnopolsky, I. Zhigun, V. Polyakov. Spatially reinforced composite materials. Moscow: Mashinostroyeniye; 1987. (in Russian)].
9. Патент РФ на изобретение «Амортизатор» № 2010126 от 30.03.994. [Russian Patent for invention Shock-Mount. No. 2010126 dt. March 30, 1994. (in Russian)].
Сведения об авторах
Волкова Наталья Викторовна, к.т.н., доцент, старший научный сотрудник - начальник стенда ФГУП «Крылов-ский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-49-62. E-mail: [email protected]. Голованов Владимир Иванович, д.т.н., ведущий научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-46-79. E-mail: [email protected].
Медведев Вадим Владимирович, д.т.н., профессор, старший научный сотрудник проблемной научно-исследовательской лаборатории обеспечения безопасности эксплуатации и противопожарной защиты корабля Военного института (военно-морского политехнического) ВУНЦ ВМФ ВМА. Адрес: 196602, Россия, Санкт-Петербург, Пушкин, Кадетский бульвар, д. 1. Телефон: +7 (921) 317-45-71. E-mail: [email protected].
About the authors
Volkova, Natalya V., Cand. of Tech. Sc., Assistant Professor, Senior Researcher, Test Rig Manager, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-49-62. E-mail: [email protected].
Golovanov, Vladimir I, D. Sc., Lead Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-46-79. E-mail: [email protected]
Medvedev, Vadim V., D. Sc., Prof. Senior Researcher, Topical Research Laboratory of Operational Safety and Fire Protection of Ships, Naval Polytechnical Institute of the Naval Academy. Address: 1, Kadetsky Bulvar, Pushkin, St. Petesburg, Russia, post code 196602. Tel. +7 (921) 317-45-71. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 16.05.17 Принята в печать / Accepted: 06.06.17 © Коллектив авторов, 2017
