CC BY
54
УДК 629.73.002.2
В.Ф. Безъязычный, И.Н. Аверьянов
Рыбинский государственный авиационный технический университет им. П.А. Соловьева, Рыбинск, Россия
К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЕМПФИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИЙ И ШУМОГЛУШЕНИЯ В РЕМОНТНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Посвящено исследованию проблемы шумоглушения и вибраций в ремонтном производстве авиационных двигателей и наземных газотурбинных установок за счет введения в элементы их конструкций демпфирующих многослойных вязкоупругих покрытий. В процессе работы проводились экспериментальные исследования демпфирующей способности покрытий в зависимости от частоты, амплитуды колебаний, температуры и их влияния на шумоглушение. Результаты исследований показали, что применение демпфирующих покрытий существенно снижает уровень вибраций и шумоглушения (на 30-50 %). В качестве покрытия использовался никель как ферримагнитный материал с аномально большим внутренним трением. Доказано, что при правильном подходе демпфирование может играть важную роль в качестве одного из наиболее удачных способов решения задачи шумоглушения и устранения колебаний при ремонте устаревших конструкций авиационных двигателей и наземных газотурбинных установок по уровням шума и вибраций.
Ключевые слова: шумоглушение, ремонт, технология, конструкция, шум, мощность, демпфирование, покрытия, колебания, испытания.
V.F. Bezyazychny, I.N. Averyanov
P.A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University, Rybinsk, Russian Federation
BY THE USE OF DAMPING COATINGS TO REDUCE VIBRATION AND DAMPING IN REPAIR WORK
The article is devoted to the sound-suppressing and vibration problems during the repair of aircraft engines and land-based gas turbines by establishment of layered viscoelastic damping coatings in elements of their designs. In the process of work the experimental researches of damping capacity of coatings depending on the frequency, fluctuation amplitude, temperature and their influence on the noise reduction were carried out. The researches have shown that use of damping coatings significantly reduces vibration and sound-suppressing (30-50 %). As a coating the nickel was used since it is ferri-magnetic material with abnormally high internal friction. It was proved that with proper approach the damping can play an important role as one of the best ways to solve the problem of noise reduction and elimination of fluctuations during the repair of old aircraft engines and land-based gas turbines.
Keywords: noise reduction, repair, technology, construction, noise, power, damping, coatings, fluctuations, trials.
В современных условиях хозяйствования предприятия, занятые ремонтом изделий, в том числе авиационных двигателей и наземных газотурбинных установок, должны ориентироваться на потребителей своей продукции, стремясь удовлетворить их возрастающие потребности, достаточно быстро оценивая и внедряя новые методы организации ремонта и восстановления изношенных сборочных единиц и поверхностей деталей с применением ресурсосберегающих технологий для снижения вибраций и шумоглушения [1-4].
Одной из проблем, возникающих при ремонте изделий устаревших конструкций, является соблюдение более новых стандартов по уровням шума и вибраций. Хотя проблемы шума и виброизоляции могут различаться по своей природе и сложности, существует довольно небольшое число способов их решения. Наиболее часто используемыми подходами к решению таких задач являются: воздействие на источник колебаний, изменение конструкции, виброизоляция, установка кожухов и ограждений, но в то же время всякого рода ограждения не являются приемлемым решением поставленной задачи, поскольку они утяжеляют и удорожают конструкцию, порождают проблемы изготовления и обслуживания уже в существующих конструкциях ремонтируемых изделий.
Более современным методом решения данной проблемы является использование вязкоупругих демпфирующих материалов, с помощью которых энергия при колебаниях может поглощаться внутри некоторого малого элемента, введенного в конструкцию при ее циклическом движении.
Для того чтобы снизить уровень шума ремонтируемого авиационного двигателя или наземной газотурбинной установки, следует уменьшить каждую из основных составляющих. Выявление того, какой именно метод демпфирования (звукоизоляция или увеличение жесткости) наиболее подходит к той или иной составляющей, требует анализа влияния отдельных характеристик акустического излучения всего шума для рассматриваемого диапазона частот колебаний. Подход к этой проблеме зависит от динамических свойств конструкции и от того, связан шум с обычным или резонансным возбуждением колебаний конструкции. Если динамическая реакция системы связана с обычными вынужденными колебаниями, то демпфирование, как правило, не оказывает какого-либо влияния на систему, и здесь необходи-
мо использовать такие подходы, как увеличение жесткости или введение звукоизоляции. Если конструкция такова, что ее динамическая реакция связана с резонансными явлениями, относящимися к рассматриваемой задаче, то имеется множество разнообразных методов снижения шума, к которым относится и демпфирование [5]. С этой точки зрения очень важно рассмотреть тот метод, который даст наиболее приемлемое по стоимости и затратам решение проблемы.
Излучение звука пластинами и другими простейшими формами при ударном возбуждении вызвано изгибными колебаниями, формирующимися в конструкциях. Амплитуда колебаний при возбуждении сосредоточенной силой Г определится по формуле [6]
4 Г
' (1)
т$ (ш2(1 + п) - ю^)
где Г - сосредоточенная сила, Н; т - масса на единицу поверхности, г; $ - площадь поверхности, см2; ю - собственная частота колебаний пластины, Гц; п - коэффициент потерь колебательной энергии; ю1 - частота действия возбуждающей силы, Гц.
Звуковая мощность, излучаемая под действием силы [2],
Р =-(2)
тюп^1 /гр / / + 2РС
где р - средняя плотность тела, г/м ; с - скорость распространения колебаний, м/с; / - текущая частота колебаний, Гц; /гр - граничная час-
с2 1т
тота колебаний, Гц, / =~\1 ~; В - жесткость пластины, Н/мм,
2п V В
Ек3
В = 12(1-2); Е - модуль упругости материала пластины, МПа; д -
коэффициент Пуассона материала пластины; к - толщина пластины, м.
Анализ представленных формул показывает, что на звуковую мощность (уровень шума), при прочих равных условиях, оказывает влияние коэффициент потерь колебательной энергии п. Причем чем больше величина последнего, тем ниже уровень шума.
Для определения демпфирующей способности покрытий и исследования ее в зависимости от частоты, амплитуды колебаний, температуры
и характеристик демпфирующих покрытий была применена экспериментальная установка, блок-схема которой представлена на рис. 1 [7].
Рис. 1. Блок-схема установки для одновременного определения модулей упругости, сдвига и декремента колебаний в широком интервале температур
Электрические колебания, поступающие от звукового генератора, преобразуются в механические и подаются на образец с помощью тонкой вольфрамовой проволоки. Через такую же проволоку механические колебания подаются с образца на электромагнитный преобразователь, где они преобразуются в электрические. Полученные электрические колебания усиливаются и попадают на комплекс измерительных приборов, по данным которых измеряют модуль упругости и демпфирование колебаний измеряемого объекта. С помощью этой установки определяют модуль нормальной упругости материала образца и декремент затухания колебаний по формуле [8]
5 = 1/п 1п(Ло/ЛД
(3)
где Ао - начальная амплитуда колебаний, Гц; Ап - амплитуда п-го колебания, Гц; п — число колебаний, за которое амплитуда меняется от Ао до Ап.
Изготовление и оценка работы демпфирующего покрытия
В литературе имеются сведения о влиянии гальванических покрытий на демпфирующие свойства, в частности, на рис. 2 представлена зависимость внутреннего трения чистого свинца (99,9 %) (кривая 1) и чистого олова (99,9 %) (кривая 2) от температуры [8, 9].
Кривая 3 описывает температурную зависимость внутреннего трения свинца О- , покрытого тонким слоем галлия. Галлий хорошо растворяется на поверхности свинца, образуя ровный слой раствора.
Покрытия резко увеличивают уровень внутреннего трения. Такое же
влияние на характер ) 1(Т) свинца оказывает оловянное покрытие.
500
о
X 7
О)
аГ а к
о ^
400
300
м 200
т
100
У 7~~ >>
/ -У
3 5
Ог~ 0
40
80 120 Температура, °С
160
200
Рис. 2. Температурная зависимость внутреннего трения: 1 - чистый свинец; 2 - чистое олово; 3 - свинец, покрытый галлием; 4 - свинец, покрытый оловом механическим способом; 5 - свинец, покрытый оловом диффузионным способом
Из литературных данных также известно, что ферромагнетики характеризуются аномально большим внутренним трением, которое обусловлено магнитной структурой материала. Дополнительная диссипация энергии обусловлена потерями при переориентации доменов (область спонтанного намагничивания) в процессе колебаний [10]. Это и послужило основанием для выбора никеля как ферримагнитного материала в качестве покрытия образцов с целью исследования влияния последнего на демпфирующие характеристики при колебаниях образцов, а значит, и явления шумоглушения.
Образцы для испытаний цилиндрической формы Ь = 200 мм, 0 = 8 мм (рис. 3) были изготовлены из стали и латуни с покрытием никелем гальваническим способом. Толщина покрытия составляла 10; 20; 30; 40; 50 мкм. Для нанесения демпфирующих никелевых покрытий применялся состав электролита гальванической ванны, приведенный в табл. 1. Изменение затухания колебаний образцов после никелирования для стального (табл. 2-6) и латунного (табл. 7-11) образ-
цов практически, как показали измерения в пределах ошибки эксперимента, не зависят от толщины покрытия, поэтому графики приведены только для толщины 50 мкм (рис. 4, 5).
00
200
Рис. 3. Образец для эксперимента
Таблица 1
Состав электролита гальванической ванны
Состав электролита Толщина слоя, мкм
10-30 40-50
Сернокислый никель №8047Н20, г/л 120 280-330
Хлористый аммоний КН4С1, г/л 23 35-45
Борная кислота Н3В03, г/л 26 30-40
РН 5,4-6 3,5-4,5
Плотность тока, А/д2 0,5-1,2 2-5
Напряжение на зажимах, В 2-2,5 2,5-3
Таблица 2
Результаты экспериментальных данных при исследовании стального образца с покрытием толщиной 10 мкм
/, °С 20 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
п "исх 7710 7519 7200 6540 5850 5530 5000 4200 3610 3060 2110 1120
П50 5440 5224 5050 4510 4040 3880 2510 2060 1580 1190 851 559
Примечание: писх - число колебаний для образца без покрытия; п50 - число колебаний для никелированного образца толщиной 50 мкм, Гц.
Таблица 3
Результаты экспериментальных данных при исследовании стального образца с покрытием толщиной 20 мкм
/, °С 20 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
п исх 7708 7501 7200 6500 5830 5540 5010 4222 3610 3040 2150 1110
П50 5404 5260 5060 4500 4000 3800 2501 2060 1580 1110 850 550
Таблица 4
Результаты экспериментальных данных при исследовании стального образца с покрытием толщиной 30 мкм
/, °С 20 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
писх 7700 7500 7200 6555 5803 5506 5078 4280 3660 3010 2110 1109
П50 5478 5200 5000 4501 4060 3801 2506 2089 1501 1101 857 550
Таблица 5
Результаты экспериментальных данных при исследовании стального образца с покрытием толщиной 40 мкм
/, °С 20 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
писх 7780 7590 7200 6501 5840 5578 5000 4200 3610 3090 2101 1101
П50 5445 5256 5000 4500 4010 3805 2506 2056 1500 1100 850 550
Таблица 6
Результаты экспериментальных данных при исследовании стального образца с покрытием толщиной 50 мкм
/, °С 20 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
писх 7800 7567 7300 6500 5800 5500 5100 4200 3600 3000 2100 1100
П50 5500 5301 5100 4501 4000 3800 2567 2050 1501 1110 859 551
Таблица 7
Результаты экспериментальных данных при исследовании стального образца с покрытием толщиной 10 мкм
/, °С 20 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
п 1,1* 1,05* 1* 9330 8500 7500 6867 6070 5010 4010 3170 2050
П50 6605 6500 6000 5610 5120 4500 4150 3570 3000 2510 1660 1020
Примечание к табл. 7—11: * п х 104.
Таблица 8
Результаты экспериментальных данных латунного образца с никелевым покрытием толщиной 20 мкм
/, °С 20 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
п 1,1* 1,05* 1* 9300 8500 7500 6800 6000 5000 4000 3100 2000
п50 6600 6500 6000 5600 5140 4500 4168 3500 3100 2560 1601 1001
Таблица 9
Результаты экспериментальных данных при исследовании стального образца с покрытием толщиной 30 мкм
/, °С 20 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
п 1,1* 1,05* 1* 9360 8500 7579 6800 6100 5000 4050 3110 2000
п50 6640 6560 6145 5600 5134 4567 4100 3534 3020 2540 1660 1100
Таблица 10
Результаты экспериментальных данных при исследовании стального образца с покрытием толщиной 40 мкм
t, °С 20 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
n 1,1* 1,05* 1* 9370 8578 7512 6807 6098 5000 4010 3140 2010
«50 6606 6550 6060 5660 5160 4504 4678 3507 3008 2540 1670 1010
Таблица 11
Результаты экспериментальных данных при исследовании стального образца с покрытием толщиной 50 мкм
t, °С 20 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
n 1,1* 1,05* 1* 9302 8560 7505 6834 6001 5000 4067 3101 2009
«50 6600 6500 6000 5600 5110 4500 4101 3505 3000 2567 1670 1010
На рис. 4 и 5 представлены температурные зависимости внутреннего трения от температуры (8 = АЛ) для стального (см. рис. 4) и латунного (см. рис. 5) образцов в исходном состоянии и после покрытия никелем. Как видно из рис. 4 и 5, фон внутреннего трения при низких температурах для образцов с покрытием на 30-50 % выше, чем у исходных образцов, причем это различие при температуре 300 °С достигает 100 %.
2,0 1,8
7
2 1,4
к х
а
1,0
g
н 0,8 я
а>
I °'6
И
CD
Ч 0,4 0,2
2
1 j 1 *
1
0 20 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 Температура, °С
Рис. 4. Температурная зависимость декремента колебаний экспериментальных образцов из стали: 1 - без покрытия; 2 - с покрытием
Эти данные подтверждают идею об эффективности никелирования как способа повышения рассеивания энергии колебаний и, следовательно, снижения их амплитуды. Таким образом, это мероприятие должно способствовать снижению уровня шума.
Применение демпфирующих устройств для решения проблем шумоизоляции и колебаний зачастую понимается неправильно. Как можно видеть из проведенных исследований, особое внимание должно быть уделено постановке задачи, разработке конструкции демпфирующего устройства при ремонте авиационных двигателей и наземных газотурбинных установок и его изготовлению.
Рис. 5. Температурная зависимость декремента колебаний экспериментальных образцов из латуни: 1 — без покрытия; 2 — с покрытием
Этот процесс неизбежно оказывается длительным и многоэтапным. Следует также отметить, что оптимизация демпфирующего устройства только по параметрам демпфирования без учета влияния этого процесса на остальные параметры, определяющие форму колебаний, обычно будет вести к недостаточному или неприемлемому уменьшению шума. Следует также иметь в виду экономические проблемы, учет которых зачастую приводит к ситуациям, при которых демпфирование рассматривается как последнее средство. Однако при правильном подходе демпфирование может играть важную роль в качестве одного из наиболее удачных способов решения полной задачи шумоглушения и устранения колебаний при переходе устаревших конструкций.
Для уменьшения шума, передаваемого изготовленными из листового металла узлами типа масляных поддонов, крышек клапанов и распределительных шестерен, где демпфирование не было предусмотрено их конструкцией, необходимо установить звукоизоляцию вокруг подобных узлов. Однако многие изолирующие системы приводят при установке к утечкам шумов в стыках и в элементах конструкции, где имеются различные типы прокладок. В последнем случае при сборке таких элементов конструкции необходимо применение различных типов герметиков, клеев которые значительно повышают уровень демпфирования системы. Всякого рода ограждения не являются приемлемым решением, поскольку они утяжеляют и удорожают конструкцию, порождают проблемы изготовления и обслуживания.
Демпфирующие покрытия (толщиной 10-11 мкм), получаемые гальваническим способом, позволяют устранить все эти недостатки, за исключением увеличения расходов на материалы, но последние составляют небольшую долю полной стоимости изготовления. В ситуациях, подобных этим, введение демпфирующих прослоек является приемлемым решением, поскольку оно практичнее и экономичнее остальных решений.
Библиографический список
1. Неметаллические композиционные материалы в элементах конструкций и производстве авиационных газотурбинных двигателей / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, С.А. Колесников, Ю.Н. Васильев. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 368 с.
2. Елисеев Ю.С., Абраимов Н.В., Крымов В.В. Химико-термическая обработка и защитные покрытия в авиадвигателестроении. - М.: Высш. шк., 1999. - 525 с.
3. Елисеев Ю.С., Абраимов Н.В. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. - М.: Интермет Инжиниринг, 2001. -622 с.
4. Технология эксплуатации, диагностики и ремонта газотурбинных двигателей / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, К.А. Малиновский, В.Г. Попов, Н.Л. Ярославцев. - М.: Высш. шк., 2002. - 354 с.
5. Нафиш А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. Демпфирование колебаний. - М.: Мир, 1988. - 448 с.
6. Фан Юй. Разработка и исследование металлических сплавов пониженного звукоизлучения: автореф. дис. канд. ... техн. наук. - М., 1994. - 24 с.
7. Исследование фрикционного воздействия на поверхностные слои стали методом внутреннего трения / И.Н. Аверьянов, В.Ф. Безъязычный, Б.М. Драпкин [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. -1999. - № 10. - С. 65-66.
8. Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. - 2-е изд. - М.: Металлургия, 1974. - 352 с.
9. Закощикова Е.П., Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. Влияние металлических покрытий на характер температурной зависимости внутреннего трения свинца и олова // Реалакцион-ные явления в металлах и сплавах: сб. - М.: Металлургия, 1963. -С.101-104.
10. Бозорт Р. Ферромагнетизм. - М.: Металлургия, 1956. - 234 с.
References
1. Eliseev Yu.S., Krymov V.V., Kolesnikov S.A., Vasilev Yu.N. Ne-metallicheskie kompozitsionnye materialy v elementakh konstruktsiy i pro-izvodstve aviatsionnykh gazoturbinnykh dvigateley [Non-metallic composite materials in the design and manufacture of aircraft gas turbine engines]. Moskovskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet imeni N.E. Baumana, 2007. 368 p.
2. Eliseev Yu.S., Abraimov N.V., Krymov V.V. Khimiko-termiches-kaya obrabotka i zashchitnye pokrytiya v aviadvigatelestroenii [Chemical heat treatment and protective coatings in aviation engineering]. Moscow: Vysshaya shkola, 1999. 525 p.
3. Eliseev Yu.S., Abraimov N.V. Khimiko-termicheskaya obrabotka zharoprochnykh staley i splavov [Chemical heat treatment of heat-resistant steels and alloys]. Moscow: Intermet Inzhiniring, 2001. 622 p.
4. Eliseev Yu.S., Krymov V.V., Malinovskiy K.A., Popov V.G., Yaro-slavtsev N.L. Tekhnologiya ekspluatatsii, diagnostiki i remonta gazoturbinnykh dvigateley [Technology of operation, diagnosis and repair of gas turbine engines]. Moscow: Vysshaya shkola, 2002. 354 p.
5. Nafish A., Dzhouns D., Khenderson Dzh. Dempfirovanie kolebaniy [Oscillation damping]. Moscow: Mir, 1988. 448 p.
6. Fan Yuy. Razrabotka i issledovanie metallicheskikh splavov poni-zhennogo zvukoizlucheniya [Development and research of metal alloys with low sound emission]. Abstract of the thesis of the candidate of technical sciences. Moscow, 1994. 24 р.
7. Averyanov I.N., Bezyazychnyy V.F., Drapkin B.M. [et al.]. Issledovanie friktsionnogo vozdeystviya na poverkhnostnye sloi stali metodom vnutrennego treniya [A study of frictional effects on the surface layers with internal friction method]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya metallurgiya, 1999, no. 10, pp. 65-66.
8. Postnikov V.S. Vnutrennee trenie v metallakh [Internal friction of metals]. 2nd ed. Moscow: Metallurgiya, 1974. 352 p.
9. Zakoshchikova E.P., Postnikov V.S. Vnutrennee trenie v metallakh. Vliyanie metallicheskikh pokrytiy na kharakter temperaturnoy zavisimosti vnutrennego treniya svintsa i olova [Internal friction in metals. Influence of metal coatings on the nature of the temperature dependence of internal friction of lead and tin]. Sbornik "Realaktsionnye yavleniya v metallakh i splavakh". Moscow: Metallurgiya, 1963, pp. 101-104.
10. Bozort R. Ferromagnetizm [Ferromagnetizm]. Moscow: Metallurgiya, 1956. 234 p.
Об авторах
Безъязычный Вячеслав Феоктистович (Рыбинск, Россия) -доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» ФГОУ ВПО РГАТУ им. П. А. Соловьева (152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53, e-mail: technology@rgata.ru).
Аверьянов Игорь Николаевич (Рыбинск, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» ФГОУ ВПО РГАТУ им. П. А. Соловьева (152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53, e-mail: averyanov@rgata.ru).
About the authors
Vyacheslav F. Bezyazychny (Rybinsk. Russian Federation) - Doctor of Technical Sciences. Professor. Head of Department of Aviation Engines Technology and General Engineering. P.A. Soloviev Rybinsk State Aviation Technical University (53. Pushkin st.. Rybinsk. 152934. Russian Federation. e-mail: technology@rgata.ru).
Igor N. Averyanov (Rybinsk. Russian Federation) - Ph. D. in Technical Sciences. Associate Professor. Department of Aviation Engines Technology and General Engineering. P.A. Soloviev Rybinsk State Aviation Technical University (53. Pushkin st.. Rybinsk. 152934. Russian Federation. e-mail: averyanov@rgata.ru).
Получено 15.07.2014
