CC BY
2ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 539.3/.6:629.5.06:681.518 DOI https://doi.org/10.38161/1996-3440-2024-3-7-14
А. В. Костенко, А. В. Левенец
ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА
Костенко А. В. - канд. техн. наук, доцент, завкафедрой «Технологические машины и оборудование», (КамчатГТУ), e-mail: [email protected];
Левенец А. В. - д-р техн. наук, доцент, профессор высшей школы кибернетики и цифровых технологий, (ТОГУ), e-mail: [email protected]
В статье приведены расчетная схема и математическая модель судового ва-лопровода. Приведены результаты имитационного моделирования в виде графиков зависимости углов поворота торцевых сечений от времени разгона вала. Показано, что в начальный момент времени возникают колебательные явления в сечениях вала, параметры которых зависят от плавности разгона вала гребного винта. Приведены функциональная и компоновочная схемы комплекса для определения динамических характеристик валопровода.
Ключевые слова: валопровод судовой, модель математическая, моделирование имитационное, процесс колебательный, время разгона, установка экспериментальная, датчик цифровой.
Введение
Валопровод, являясь одним из элементов судовой энергетической установки, отвечает за передачу крутящего момента двигателя гребному винту и развиваемого винтом упора корпусу судна. В процессе функционирования на валопровод действуют различные нагрузки, в том числе крутящий момент и крутильные колебания, которые оказывают существенное влияние на работоспособность и надежность валопровода. Поэтому задача разработки системы контроля динамических характеристик судового валопровода является актуальной задачей.
В работах [1, 2] приведены и проанализированы условия эксплуатации и нагрузки, действующие на валопровод, в том числе указано об опасности возникновения резонансных колебательных явлений, в связи с чем в документах [3, 4], изложены требования по измерению и расчету крутильных колебаний.
© Костенко А. В., Левенец А. В., 2024
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 3 (74)
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 3 (74)
В ряде публикаций [5-7] доктора физ.-мат. наук Царенко С.Н. (ФГБОУ ВО «КамчатГТУ») выполнена работа как по разработке математической модели самого валопровода, так и проведены теоретические исследования динамических режимов работы валопровода, в частности, импульсный разгон, линейный режим разгона, импульсное воздействие на винт.
В работе [8] была предложена модель для исследования динамики валопровода гребного винта на основе двухступенчатого стержня, показавшая хорошую сходимость с известными в литературе результатами.
Кроме этого, следует указать работу [9], в которой обоснована и приведена блок-схема экспериментальной установки для исследования динамических характеристик судового валопровода.
Теоретическая часть
Для исследования динамических характеристик судового валопровода необходимо использовать методы моделирования, идентификации и диагностики. Теоретические исследования на основе математического моделирования поведения исследуемого объекта позволяют в значительной мере сократить расходы на создание экспериментальных моделей и прототипов. Кроме того, позволяют вести исследования и выявлять закономерности для больших объектов - таких, к которым можно отнести и судовой валопровод. Общая схема валопровода показана на рис. 1, где цифрами обозначено: 1 - проставоч-ный вал; 2 - опорный подшипник; 3 - промежуточный вал; 4 - дейдвудное устройство; 5 - гребной вал; 6 - гребной винт.
Рис. 1. Расположение валопровода на корпусе судна
Для проведения теоретических исследований валопровода, приведенного на рис. 1, его можно представить в виде расчетной схемы, представленной на рис. 2. На схеме приняты следующие обозначения: I - общая длина вала, йв -его диаметр, В - диаметр гребного винта, Мс - момент гидродинамического сопротивления, 1м - момент инерции гребного винта, х - текущая координата, 9 - угол поворота левого торца вала, определяемый законом разгона двигателя.
ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВОГО ВАЛОПРО-ВОДА
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 3 (74)
I
Мс
D
Рис. 2. Расчетная схема валопровода
Теоретическая модель валопровода, согласно приведенной схеме, имеет вид уравнения углов закручивания следующего вида [5]:
где = x/l- безразмерная координата, т = t/l - приведенное время, 5(x) - дельта-функция Дирака, ц - номинальная угловая скорость, Rc - коэффициент гидродинамического сопротивления, ф - угол закручивания для произвольного сечения вала.
Используя математические преобразования, приведенные в работе [10], из уравнения (1) можно получить выражение для углов поворота у для некоторого произвольного сечения вала:
где Лп, Вп - постоянные, определяемые из начальных условий; Сп, Еп - коэффициенты, определяемые расчетным способом [10]; £ - безразмерная координата, т - приведенное время, с - скорость распространения крутильных волн в стержне; а - параметр, характеризующий время выхода на номинальную скорость вала; Хп — собственные значения.
Имитационное моделирование
Общий вид имитационной модели, построенной в системе моделирования 8тиПпк математического пакета МаЙаЬ, и реализующей уравнение (2) приведен на рис. 3.
(1)
со о г
^=S (А»е~''"т sin +B»e~fl"T cos р»х+с»е~2ат +D»e~aT
(2)
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 3 (74)
Рис. 3. Общий вид имитационной модели валопровода
Основой модели служат три подсистемы, моделирующие выражение под знаком суммы в уравнении математической модели (2) для первых трех индексов п, что согласно [10] достаточно для получения приемлемых с точки зрения практики результатов. Внутренняя структура подсистемы приведена на рис. 4.
Рис. 4. Структура подсистемы, реализующей выражение для определения углов у поворота произвольного сечения валопровода
ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕ- -
СКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВОГО ВАЛОПРО- ЖЛНЖ ТОГУ. 2Ш. № 3 (74)
ВОДА
Результаты проведенного имитационного моделирования приведены на рис. 5 в виде графиков, показывающих зависимости между углами поворота левого (рис. 5, а) и правого (рис 5, б) торцевых сечений в зависимости от времени разгона вала. Следует отметить, что правый торец связан с гребным винтом, а левый с энергетической установкой, например, судовым дизелем.
О 0,03 0,06 0,09 /, с о 0,03 0,06 0,09 Г, с а) б)
Рис. 5. Графики зависимости углов поворота левого (а) и правого (б) торцевых сечений от времени разгона вала
Полученные графики соответствуют реальным процессам, возникающим при разгоне двигателя, что подтверждается результатами измерений, полученными на действующем судне [10]. Анализ полученных результатов показывает, что в начальный момент времени разгона гребного вала проявляется неравномерность в виде колебательного процесса, более явно выраженного для правого торца. Очевидно, что при более резком разгоне валопровода колебательные явления будут проявляться сильнее.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что разработанная имитационная модель может быть использована для дальнейших исследований рабочих процессов судового валопровода.
Экспериментальная установка
Экспериментальные исследования необходимы как для подтверждения теоретических изысканий, так и для получения реальных характеристик динамики валопровода. Задачами таких экспериментальных исследований, которые могут проводится как на реальных валопроводах в условиях судоверфи, или в ходе эксплуатации судна, так и на модельных образцах валопровода, могут быть:
- выявление резонансных и околорезонансных частот;
- определение характеристик демпфирования и других показателей кру-тильно-колебательного процесса валопровода;
- исследование переходных процессов.
Схема системы для измерения крутильных колебаний и крутящего момента, разработанной на базе цифровых датчиков ZETSENSOR показана на рис. 6, где цифрами обозначено: 1 - объект измерений (вал); 2 - датчик линейного ускорения;
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 3 (74)
3 - тензомост; 4 - измерительный модуль; 5 - автономный регистратор; 6 - телеметрическая система; 6.1 - источник радиосигнала; 6.2 - приемник радиосигнала; 7 - аккумуляторная батарея; 8 - преобразователь интерфейса; 9 - ЭВМ.
Чувствительным элементом системы является тензомост 3, который реагирует на деформацию вала 1 и передает сигнал на измерительный модуль 4, в котором и осуществляется определение крутящего момента.
Для определения крутильных колебаний, связанных с неравномерностью вращающего момента по времени или момента сопротивления используется цифровой акселерометр 2 (датчик линейного ускорения), который можно располагать ка непосредственно на валу, так и некотором расстоянии от оси вращения вала. На рис. 2, б датчик линейного ускорения встроен в модуль 6.1.
При проведении экспериментальных исследований, данные, полученные от измерительного модуля 4, записываются на автономный регистратор и передаются в телеметрическую систему 6.
Рис. 6. Функциональная (а) и компоновочная (б) схемы комплекса для определения динамических характеристик валопровода
ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВОГО ВАЛОПРО-ВОДА
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 3 (74)
Телеметрическая система 6 осуществляет беспроводную передачу данных от измерительной части на ПК через преобразователь интерфейса 8. Передача данных производится по радиоканалу.
Таким образом, комплекс позволит получать требуемые параметры крутильных колебаний, в том числе и оценивать деформацию валопровода, через углы закручивания, что требуется для сопоставления реальных значений с полученными теоретически, как это было показано выше на примере углов закручивания торцевых сечений вала.
Заключение
В работе представлены расчетная схема и математическая модель для описания динамики крутильных колебаний судового валопровода, позволяющая исследовать динамические процессы, возникающие при эксплуатации вало-провода. На основе предложенной модели выполнено имитационное моделирование, с помощью которого были получены графики зависимости углов поворота левого и правого торцевых сечений от времени разгона вала.
Результаты проведенного моделирования необходимы для выбора начальных параметров экспериментальной установки, которая, в свою очередь, будет служить прототипом измерительной системы, используемой для получения динамических характеристик судового валопровода при эксплуатации, диагностики или испытаниях.
Библиографические ссылки
1. Пожидаева Л.А., Солодиков И.А., Костенко А.В. К вопросу о создании интеллектуальной системы контроля динамических характеристик судового валопро-вода // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование : материалы XIV Национальной (всероссийской) научно-практической конференции (21-22 марта 2023 г.). - Петропавловск-Камчатский : КамчатГТУ, 2023. - С. 83-86.
2. Кушнер Г. А. Мамонтов В. А. Конструкция, эксплуатация и ремонт валопро-водов и дейдвудных устройств морских судов : учебное пособие. - Астрахань : АГТУ, 2021. - 128 с.
3. Руководство Р.009-2004. Расчет и измерение крутильных колебаний вало-проводов и агрегатов [Электронный ресурс]. - URL: http://gost.gtsever.ru/Index2/1/4293750/4293750153.htm
4. ГОСТ Р ИСО 20283-4-2017. Вибрация. Измерения вибрации на судах. Ч. 4. Измерения и оценка вибрации судовой пропульсивной установки. - Введ. 2018-0601. - М. : Стандартинформ, 2019. - 24 с.
5. Царенко С.Н., Гараев Р.А. Динамика валопровода гребного винта при импульсном разгоне// Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование. Материалы XIII Национальной (всероссийской) научно-практической конференции. - Петропавловск-Камчатский, 2022.
С. 149-153.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 3 (74)
6. Царенко С.Н. Молчан A.A., Мхоян А.А. Динамика валопровода гребного винта при линейном режиме разгона // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития. Материалы Четвертой международной научно-технической конференции. - Петропавловск-Камчатский, 2022. - С. 122-126.
7. Царенко С.Н., Улитин Г.М., Труднее С.Ю. Динамика валопровода гребного винта при импульсном воздействии // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. - 2022. - Т. 14. - № 5. - С. 748758.
8. Царенко С.Н., Рак А.Н., Костенко A.B. Динамика крутильных колебаний валопровода гребного винта на основе модели двухступенчатого стержня // Судостроение. - 2024. - № 1. - С. 28-32.
9. Тряпицина Д.С., Костенко A.B. К вопросу о создании экспериментальной установки для исследования динамических характеристик судового валопровода // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития : материалы Шестой национальной научно-технической конференции (9-10 ноября 2023 г.). - Петропавловск-Камчатский : КамчатГ ТУ, 2024. - С. 21-23.
10. Царенко, С. Н. Динамика валопровода гребного винта при разгонных режимах / С. Н. Царенко, А. Н. Рак, Б. Н. Безлобенко // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. - 2021. - Т. 13, № 4. - С. 548-558.
Title: Features of Studying the Dynamic Characteristics of a Ship Shafting Authors' affiliation:
Kostenko A.V. - Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kam-chatsky, Russian Federation
Levenets A.V. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation
Abstract: In the article, the authors present a design diagram and a mathematical model of a ship shafting. The results of simulation modeling are presented in the form of graphs of the dependence of the end sections rotation angles on the shaft acceleration time. It is shown that at the initial moment of time, oscillatory phenomena arise in the sections of the shaft, the parameters of which depend on the smoothness of the acceleration of the propeller shaft. The functional and layout diagrams of the complex for determining the dynamic characteristics of the shafting are presented.
Keywords: ship shafting, mathematical model, simulation modeling, oscillatory process, acceleration time, experimental installation, digital sensor.
