CC BY
27
УДК 624.042: 629.5.024
ПРИМЕНЕНИЕ ДЕМПФИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ В СИСТЕМЕ АМОРТИЗАЦИИ СУДОВОГО МЕХАНИЗМА
В. И. Сутырин, И. А. Шинкаренко
APPLICATION OF DAMPING MATERIALS IN THE VIBRATION CONTROL SYSTEM OF THE SHIP MECHANISM
V. I. Sutyrin, I. A. Shinkarenko
Задача защиты команды и пассажиров от вибрации и шума, возникающих при работе судовых механизмов, заключается в том, чтобы по возможности не превышать допустимых значений. Этого можно достичь, если использовать малошумные машины, вспомогательные механизмы и гребные винты; выбирать общее расположение помещений на судне на максимально возможном расстоянии от источников вибрации и шума; устанавливать источники вибрации и шума так, чтобы на корпус судна передавалось меньше звуковой и вибрационной энергии; применять шумопоглощающие материалы и устройства в судовых помещениях и др. Перечисленные мероприятия относятся к акустическому проектированию судовых конструкций. Наиболее широко применяемыми способами борьбы с вибрацией являются виброизоляция и вибродемпфирование. Максимально эффективным представляется оптимальное совместное применение этих двух средств виброзащиты в одной колебательной системе. Если виброизоляция, осуществляемая посредством амортизаторов, эффективно используется и может быть рассчитана с достаточной точностью, то вибродемпфирование применяется менее широко и лишь в виде покрытий на фундаментных конструкциях. К тому же это далеко не всегда дает положительный эффект. В данной работе исследуется возможность демпфирования конструкций сыпучими материалами, а также водой. Такой вид, называемый сдвиговым, оказывается проще и дешевле в реализации, позволяет изменять коэффициент демпфирования в некоторых пределах. В то же время подобное демпфирование, как правило, нелинейное, практически не поддается точному расчету и требует экспериментального обоснования. В работе описана апробация экспериментального метода, предназначенного для определения коэффициента демпфирования сыпучих материалов и жидкостей.
вибрация, демпфирование, амортизация, резонанс, виброизоляция, частотный анализ
The task of protecting the crew and passengers from vibration and noise arising from the operation of ship mechanisms is, if possible, not to exceed the permissible values of vibration and noise levels. This can be achieved by using low-noise machines, auxiliary mechanisms and propellers; choosing the general arrangement of rooms on the
ship at the maximum possible distance from sources of vibration and noise; installing vibration and noise sources so that less sound and vibrational energy is transmitted to the hull; applying sound-absorbing materials and devices in ship premises, etc. These activities relate to the acoustic design of ship structures. The most widely used methods of combating vibration are vibration isolation and vibration damping. The most effective is the optimal combined use of these two means of vibration protection in one oscillatory system. If the vibration isolation carried out by means of shock absorbers is effectively applied and can be calculated with sufficient accuracy, vibration damping is applied less widely and only in the form of coatings on foundation structures. In addition, vibration damping does not always give a positive effect. This paper explores the possibility of damping structures with bulk materials, as well as water. This type of damping of the structure, called shear, is easier and cheaper to implement, and it allows you to change the damping coefficient within certain limits. At the same time, such damping, as a rule, is nonlinear, practically cannot be accurately calculated, and requires experimental substantiation. The work describes the testing of an experimental method designed to determine the damping coefficient of bulk materials and liquids.
vibration, damping, depreciation, resonance, vibration isolation, frequency analysis
ВВЕДЕНИЕ
Демпфирование является одной из основных динамических характеристик, используемых при описании вынужденных колебаний технических систем. Параметр демпфирования, например, важен для инженерного проектирования оснований и фундаментов зданий и сооружений, а также при учете влияния на вибрацию наливных и сыпучих грузов, находящихся в замкнутых объёмах (трюмах, отсеках, танках судов различного назначения). Если для применяемых в судостроении вибродепфирующих мастик методика определения коэффициента демпфирования разработана и реализована на практике, то для жидких и сыпучих материалов, которые используются значительно реже, практически реализованных конструкций не предложено. В ходе проведения авторами экспериментальных исследований предпринята попытка реализовать экспериментальный метод, предложенный в [1, 2]. Также в ходе работы определено влияние коэффициента демпфирования сыпучих материалов и воды на характеристики эффективности специально сконструированной амортизации электродвигателя. Эксперимент проводился таким образом, чтобы при изменении параметров демпфирующего материала минимизировать сопутствующее влияние массы и жесткости конструктивных элементов анализируемой системы.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Установка представляет собой имитационный стенд, включающий два уровня амортизации. Каждый из уровней представлен соответствующей массой и амортизирующим креплением. Рабочий механизм стенда - двигатель постоянного тока, вращающий диск с эксцентриком. Двигатель зафиксирован на массивной опорной металлической пластине. Вся данная конструкция, имеющая массу 180 кг, закреплена посредством четырех амортизаторов типа ЭСА-50 к промежу-
точной раме. В свою очередь, промежуточная рама, выполняющая роль массы амортизации второго уровня, закреплена на фундаменте стенда посредством четырех амортизаторов аналогичного типа. Особенность стенда заключается в том, что его промежуточная рама выполнена в виде контейнера (ящика) с жесткими стенками, который может закрываться с одной или с двух сторон, обеспечивая удобную загрузку материалами и требуемую герметичность внутреннего объема. Подобное решение дает возможность производить эксперименты с заполнением полости рамы сыпучими демпфирующими материалами или жидкостями. Данный имитационный стенд позволяет производить опыты и делать измерения характеристик вынужденной вибрации, обусловленной как работой электродвигателя, так и ударным возбуждением системы при помощи специального молотка. Частота вращения ротора электродвигателя изменяется в диапазоне от 1 до 45 об/с.
а)
б)
Рис. 1. Устройство имитационного стенда (а) и вид на фото (б) Fig. 1. Simulation stand arrangement (a) and the view of the photo (б)
Определение собственных частот механической системы производится резонансным методом, изложенным в [1]. Искомые собственные частоты, формы колебаний и коэффициенты демпфирования определяются по резонансным пикам амплитудных характеристик (рис. 1.) согласно следующей зависимости
% = -а^Пфрз , (1)
где Шх и Ш2 - частоты колебаний, соответствующие точкам а и б пересечения ьго резонансного пика прямой, проведенной параллельно оси абсцисс на рас-
1/2 1/2
стоянии, равном высоте пика А{ = Атах, деленной на (2) , т.е. Ао= 2- Атах; Шрез - резонансная частота или абсцисса амплитудного пика.
Рис. 2. Определение коэффициента демпфирования по резонансной кривой Fig. 2. Determination of the damping coefficient by the resonance curve
Эксперимент проводился таким образом, чтобы оценить влияние на эффективность амортизации именно коэффициента демпфирования, сводя к минимуму изменения других параметров системы амортизации. Чтобы обеспечить указанное условие, промежуточная рама стенда в каждом из экспериментов была наполнена исследуемым материалом так, чтобы масса рамы и, соответственно, ее собственная частота сохранялись одинаковыми. Определяющей при этом считалась масса рамы, наполненной водой с открытой поверхностью. При необходимости дополнительная масса набиралась стальными грузами. Равенство масс промежуточной рамы стенда контролировалось также по значению ее собственной частоты. При необходимости производилась коррекция.
Рассматриваемая колебательная система имеет две характерные резонансные частоты [3, 4]. Первая собственная частота Fр1 определяется массой и жесткостью системы в целом. На второй частоте Fр2 максимум амплитуды приходится на промежуточную массу, которая колеблется противофазно относительно основной массы. Эту частоту можно назвать резонансной частотой промежуточной рамы. Ее значение существенно зависит от массы промежуточной рамы. Значение резонансной частоты Fр2, а также коэффициент демпфирования на этой частоте представляют основной интерес при оценке влияния демпфирующего материала.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для измерения уровней вибрации и ее частотного анализа использовался анализатор спектра А19-Ц2 фирмы ZetLab, снабженный датчиками вибрации AP98-100 фирмы Глобалтест. При измерении перепада уровня вибрации с опорной рамы двигателя на фундамент стенда использовались значения среднеквадра-тических уровней сигнала в третьоктавной полосе анализа, центральная частота которой соответствовала частоте возбуждения (частоте вращения двигателя). При частотном анализе использовался линейный метод усреднения. Усреднение производилось в течение 5 с.
Ударное возбуждение системы выполнялось с помощью ударного молотка 8208 фирмы Вгие1 & Каег. Сигналы с датчика вибрации и ударного молотка анализировались с помощью специализированного программного обеспечения «Модальный анализ», входящего в пакет программного обеспечения анализатора спектра А19-Ц2. По сигналу с ударного молотка компьютер выполнял регистрацию сигналов и преобразование Фурье. Результат представлялся в виде спектра собственных частот конструкции. Для исключения случайных погрешностей выбиралось среднее значение по десяти измерениям.
Экспериментальные измерения проводились последовательно при заполнении полости промежуточной рамы сначала водой с открытой и закрытой поверхностью (в герметичной полости), затем песком различной зернистости, а также эквивалентной массой без демпфирующего материала. В каждом случае производились вибрационные измерения при ударном возбуждении молотком B&K 8208, а затем при работе двигателя на максимальной частоте вращения. В результате в каждом из экспериментов получали набор собственных частот, коэффициентов демпфирования указанными материалами, а также эффективность амортизации, представленную перепадом уровня вибрации. Проанализируем полученные результаты.
1. Ударное возбуждение
Как указывалось выше, при ударном возбуждении определялись основные собственные частоты и коэффициенты демпфирования. Результаты измерений в каждом из экспериментов приведены в табл. 1.
Таблица 1. Измеренные коэффициенты демпфирования и собственные частоты для разных типов материала
Table 1. Measured damping factors and natural frequencies for different types of material
№ п/п Материал заполнения Результаты измерения Примечание
Fр2, Гц §2, отн.ед
1 Вода открытая 34,34 0,0379
2 Песок крупнозернистый 34,45 0,0401 Песок карьерный 1,6-1,8 мм
3 Песок мелкоозернистый 34,41 0,0494 Песок морской 0,6-1,1 мм
4 Вода закрытая 34,51 0,0310
5 Эквивалентная масса 34,35 0,0306
Каждое значение получено путем обработки данных по 20 ударам молотком. Видно, что значения частоты Fp2 очень близки, что обеспечивалось плавным подбором массы материала по значению частоты Fp2 , полученному в первом случае с заполнением рамы водой. По этим данным можно сделать ряд выводов.
Во-первых, как песок, так и вода, заполняющая полость промежуточной рамы, приводят к значительному увеличению коэффициента демпфирования, т. е. их можно использовать в качестве демпфера в системе амортизации.
Во-вторых, в случае с песком коэффициент демпфирования и, следовательно, потери в системе существенно зависят от величины зернистости песка. Путем изменения зернистости песка имеем возможность изменять коэффициент демпфирования без существенного изменения других параметров системы.
Третий важный вывод касается применения воды. Находясь в герметичном сосуде, не имея открытой границы с воздушной средой, вода мало повлияла на коэффициент демпфирования. Наиболее вероятно, что основную роль в поглощении вибрационной энергии играют поверхностные колебания (волны), сопровождающиеся трением слоев жидкости.
Строго говоря, вышеизложенные выводы справедливы лишь для рассматриваемой собственной частоты. Однако их можно распространить на диапазон частот, в котором элементы экспериментального стенда ведут себя как жесткие твердые тела, т. е. без значимых изгибных деформаций. Для данного стенда, имеющего первую собственную изгибную частоту промежуточной рамы 181 Гц, можно считать конструкцию рамы жесткой вплоть до частот порядка 80-100 Гц.
2. Гармоническое возбуждение
В эксперименте гармоническое возбуждение осуществлялось посредством установленного на стенде электродвигателя постоянного тока. На валу двигателя на расстоянии 50 мм от оси вала был закреплен груз-эксцентрик массой 150 г. Как видно из табл. 1, значение второй резонансной частоты Fp2 ~ 34,35 Гц. Измерения проводились при частоте вращения 34,4 Гц. Таким образом, можно считать, что колебательная система была введена в резонансный режим.
При измерении оценивался перепад уровня вибрации, представляющий собой разницу между среднеквадратическими уровнями вибрации, измеренными на опорной плите механизма (двигателя) и фундаменте стенда. Точки измерений выбирались в местах крепления амортизаторов к плите и опоре фундамента - по четыре на каждой поверхности. Поскольку в представленном эксперименте рассматривась лишь вертикальная составляющая вибрации, то датчик вибрации ориентировался вертикально и последовательно перемещался по измеряемым точкам. Регистрация сигнала производилась в диапазоне 5-10000 Гц в третьоктав-ных полосах частот, но в учет бралась лишь полоса 31,5 Гц, в границы которой попадает частота Fр2. Пример измеренного третьоктавного спектра показан на рис. 3. Нулевой порог для расчета уровней виброускорения - 0,0003 м/с2.
Рис. 3. Третьоктавные спектры вибрации на опорной плите и фундаменте Fig. 3. The third-octave vibration spectra on the base plate and on the foundation
Как видно из графика, вибрация на частоте вращении двигателя наблюдается как отчетливый пик. В табл. 2 приведены измеренные уровни виброускорений в полосе 31,5 Гц в каждом из случаев заполнения промежуточной рамы демпфирующим материалом.
Таблица 2. Измеренные уровни вибрации на элементах стенда и полученная эффективность амортизации
Table 2. Measured vibration levels on the stand elements and the resulting vibration isolating efficiency_
№ п/п Материал заполнения Усредненные уровни виброускорения, дБ от-но 300 мкм/с2 Эффективность амортизации, дБ
опорная плита фундамент
1 Вода открытая 81,7 53,4 28,3
2 Вода закрытая 81,5 55,3 26,2
3 Песок крупнозернистый 80,8 49,9 30,9
4 Песок мелкозернистый 81,0 47,1 33,9
5 Эквивалентная масса 82,0 55,7 26,3
Как видно из табл. 2, при заполнении рамы мелкозернистым песком, вносящим самое большое демпфирование системы, получен максимальный перепад уровней вибрации. При изменении коэффициента демпфирования на 60 % наблюдается изменение перепада вибрации на 7,6 дБ (более чем в два раза в пересчете на абсолютные единицы).
Полученный в ходе данного эксперимента результат, демонстрирующий значительное влияние демпфирования на уровень вибрации на фундаменте, является ожидаемым. Действительно, от введения потерь в систему, преобразующего часть вибрационной энергии в тепловую, следует ожидать уменьшения энергии колебаний, проходящей через амортизаторы. Однако согласно теории [5], такой явный эффект проявляется лишь в области резонансных частот, где потери в максимальной степени определяют свойства системы. Вне резонансных областей влияние демпфирования значительно меньше. В более современной работе [6] на примере однокаскадной системы амортизации методом электромеханических аналогий показано, что для частот выше V2Fp эффективность виброизоляции с увеличением коэффициента демпфирования несколько снижается, но с учетом опасности резонансных режимов работы механизмов демпфирование системы дает в целом положительный эффект, особенно на переходных режимах работы механизмов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы экспериментально подтверждена эффективность метода измерения коэффициента демпфирования сыпучих материалов и жидкостей, предложенная в [1, 2].
Установлено, что применение сыпучих материалов позволяет значительно увеличить коэффициент демпфирования системы амортизации. Полученное в ходе эксперимента увеличение измеренного коэффициента демпфирования составило более 60 %.
В ходе эксперимента с вынужденным возбуждением стенда получены данные, согласно которым введение демпфирования улучшает эффективность амортизации в области резонансных частот.
В связи с тем, что коэффициент демпфирования может меняться путем заполнения промежуточной рамы демпфирующими материалами, предложенный метод может применяться как один из методов управления системой амортизации с целью получения требуемых параметров. Один из перспективных вариантов применения - введение регулируемого демпфирования в системе с амортизаторами, характеризующимися малыми потерями, например пружинными или пневматическими.
Коэффициент демпфирования, как показал эксперимент, различен для песка разной зернистости. Также определено, что в случае с заполняющей водой важную роль играет наличие и состояние свободной поверхности, благодаря которой происходит интенсивное движение и внутреннее трение слоев.
Представляет интерес проведение расширенных измерений для экспериментального определения зависимостей коэффициента демпфирования от свойств материалов при возбуждении стенда как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Сутырин, В. В. Экспериментальный стенд для определения демпфирующих свойств материалов / В. И. Сутырин, И. А. Шинкаренко, Э. Р. Кужахметова // Известия КГТУ. - Калининград: Изд-во ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2019. - № 52. -С. 177-183.
2. Патент на полезную модель №184 676 РФ, МПК G01N 19/10. Устройство для определения коэффициента демпфирования сыпучих материалов и жидкостей / В. И. Сутырин, И. А. Шинкаренко, Э. Р. Кужахметова // Заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «БФУ им. Им. Канта». - № 2018125340; заявл. 10.07.2018; опубл. 02.11.2018. - 7 с.
3. Сутырин, В. В. Влияние динамических свойств фундамента на виброизоляцию центробежных насосов / В. И. Сутырин, И. А. Шинкаренко // Транспорт и сервис. - Калининград: Изд-во ФГБОУ ВО «БФУ им. Им. Канта», 2018. - № 6. -С. 117-126.
4. Шинкаренко, И. А. Эффективная виброизолирующая подвеска судового валопровода / И. А. Шинкаренко, В. И. Сутырин // Известия КГТУ. - Калининград: Изд-во ФГБОУ ВО «КГТУ», 2019. - № 53. - С. 193-201.
5. Клюкин, И. И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах / И. И. Клюкин. - Ленинград: Судпромгиз, 1961. - 356 с.
6. Стрелков, С.П. Введение в теорию колебаний: учебник / С. П. Стрелков. -Санкт-Петербург: Лань, 2005. - 440 с.
REFERENCES
1. Sutyrin V. I., Shinkarenko I. A., Kuzhakhmetova E. R. Eksperimental'nyy stend dlya opredeleniya dempfiruyushchikh svoystv materialov [A test stand for determining the damping properties of construction elements and materials]. Izvestiya KGTU, 2019, no. 52, pp. 177-183.
2. Patent № 184 676 RF, MPK G01N 19/10. Ustroystvo dlya opredeleniya koeffitsienta dempfirovaniya sypuchikh materialov i zhidkostey [A device for determining the damping coefficient of bulk materials and liquids]. Sutyrin V. I., Kuzhakhmetova E. R., Shinkarenko I. A.; Zayavitel' i patentoobladatel' FGAOU VO «BFU im. I. Kanta»; № 2018125340; zayavl. 10.07.2018; opubl. 02.11.2018, 7 p.
3. Sutyrin V. I., Shinkarenko I. A. Vliyanie dinamicheskikh svoystv fundamenta na vibroizolyatsiyu tsentrobezhnykh nasosov [Influence of the dynamic properties of the foundation on the vibration insulation of centrifugal pumps]. Transport i servis, 2018, no. 6, pp. 117-126.
4. Shinkarenko I. A., Sutyrin V. I. Effektivnaya vibroizoliruyushchaya podveska sudovogo valoprovoda [Efficient vibration isolating suspensions of ship piplines]. Izvestiya KGTU,, 2019, no. 53, pp. 193-201.
5. Klyukin I. I. Bor'ba s shumom i zvukovoy vibratsiey na sudakh [Combating noise and sonic vibration in ships]. Leningrad, Sudpromgiz Publ., 1961, 356 p.
6. Strelkov S. P. Vvedenie v teoriyu kolebaniy [Introduction to the theory of oscillations]. Saint- Petersburg. Lan' Publ., 2005, 440 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Сутырин Валерий Игоревич - Балтийский федеральный университет имени И. Канта; Инженерно-технический институт; доктор технических наук, профессор кафедры машиноведения и технических систем; E-mail: vsutyrin@mail.ru
Sutyrin Valeriy Igorevich - Immanuel Kant Baltic Federal University; Institute of Engineering and Technology; Doctor of Engineering, Professor of the Department of machine and technical systems; E-mail: vsutyrin@mail.ru
Шинкаренко Иван Александрович - Прибалтийский судостроительный завод «Янтарь»; инженер; E-mail: van-125@mail.ru
Shinkarenko Ivan Aleksandrovich - Baltic shipyard «Yantar»; Engineer;
E-mail: van-125@mail.ru
