CC BY
86
УДК [621.431.74:621.436] :662.758
А. В. Кораблин, А. В. Шевченко, М. В. Протасов
СТЕНД ДЛЯ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ СИЛИКОНОВЫХ ДЕМПФЕРОВ В-790 СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Введение
В процессе работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на кривошипы коленчатого вала действуют периодически изменяющиеся крутящие моменты, сдвинутые по фазе в соответствии с порядком работы цилиндров. Вследствие этого элементы валопровода в плоскости вращения испытывают знакопеременные смещения, называемые крутильными колебаниями. Развитие крутильных колебаний может привести к разрушению коленчатых валов дизелей, гребных валов, ослаблению болтовых соединений, уплотнений, быстрому износу деталей двигателя, ослаблению и срезу шпоночных соединений, а также к проскальзыванию фрикционных муфт. Элементы валопровода разрушаются от снижения усталостной прочности материала, и происходит это при напряжениях, значительно меньших предела временного сопротивления. Такие разрушения, как правило, начинаются с микроскопической трещины в местах концентрации напряжений (галтель, выточка, сверление), а также в местах, где, вследствие больших местных напряжений, материал теряет пластичность. Затем эта трещина постепенно углубляется и проходит через сечение вала, в котором действуют наибольшие напряжения. При этом происходит трение одной стенки трещины относительно другой. Постепенно наблюдаются существенные деформации вала, что вызвано возрастанием напряжений в неразрушенной части вала. После ослабления остальная часть вала ломается практически сразу, при этом чаще всего сечение излома направлено под углом 45° к оси вала. На поперечном сечении четко выделяются две поверхности - мелкозернистая, которая образуется в процессе образования трещин, и крупнозернистая поверхность непосредственно надлома.
Описанное явление наблюдается при возникновении резонансных и околорезонансных колебаний, определяющих запретные зоны, т. е. диапазоны чисел оборотов, при которых нельзя эксплуатировать установку длительное время.
Для определения запретных зон проводится расчет крутильно-колеблющейся системы. Если результаты расчета на крутильные колебания, подтвержденные испытаниями, показали, что напряжения в его конструкции превышают допустимые, необходимо устранить вредное влияние крутильных колебаний.
Величину крутильных колебаний уменьшают с помощью антивибраторов и демпферов.
Демпферы работают по принципу увеличения неупругих потерь в крутильной системе. Гасители этого типа уменьшают амплитуды колебаний при любой частоте вращения двигателя, включая и резонансную частоту. Демпферы воздействуют на систему с помощью трения, они поглощают часть энергии, подводимой возмущающим моментом, и переводят ее в теплоту, которая отводится от системы. Демпферы бывают постоянного трения (фрикционного типа), нелинейные (силиконовые), линейные (пружинные) и внутреннего трения (резиновые). Конструкции демпферов и их виды подробно рассмотрены в [1-3].
Согласно данным Астраханского филиала Российского морского регистра судоходства и основных судовладельческих компаний Волго-Каспийского бассейна, основными демпфирующими устройствами в составе энергетических установок судов являются силиконовые демпферы (СД). Они устанавливаются на двигателях 6ЧСП 18/22, 6ЧСПН 18/22, 8ЧСПН 18/22, 6ЧСПН 25/34, 6ЧРПН 36/45, 8КУБ48Л2и [4]. Большинство составляют демпферы компаний 8ТЕ, ИОЬ8ЕТ. Общее количество демпфирующих устройств составляет 427 единиц. При этом пружинные демпферы, антивибраторы составляют 98 единиц - т. е. 23 % от общего количества. Количество СД составляет, таким образом, 329 единиц (77 %).
Такое широкое применение демпферов объясняется тем, что демпферы с полиметилси-локсановыми наполнителями (силиконовые демпферы) просты по конструкции и в эксплуатации, надежны в работе; силиконовая жидкость обладает рядом ценных свойств, которые остаются стабильными в течение нескольких тысяч часов.
Российский морской регистр судоходства требует проверять техническое состояние силиконовых демпферов после 24-30 тысяч часов работы (в зависимости от модели). Если демпфер исправен, то допускается его эксплуатация еще в течение 10 тысяч часов, после чего требуется замена силиконовой жидкости или самого демпфера [4].
Опыт эксплуатации и анализ поврежденных силиконовых демпферов показывают, что приведенные сроки не всегда адекватно отражают техническое состояние демпферов. При отсутствии видимых повреждений корпуса, крышки, уплотнений и признаков протеканий жидкости техническое состояние демпфера можно оценить рядом показателей и сравнить их с заводскими данными или с требованиями правил технической эксплуатации и классификационных обществ. Решением данной проблемы является создание натурного экспериментального стенда (для определения работоспособного состояния демпфера после отработки ресурса, а также после дефектации). Стенд должен моделировать колебания угловой скорости и имитировать идентичные процессы рассматриваемого двигателя 8КУБ48Л2И при частоте вращения коленчатого вала 375 об/мин.
Разработка схемы электропривода стенда
Система управления электродвигателя должна позволять воспроизводить сигнал с заранее заданными параметрами, которые могут регулироваться как по амплитуде, так и по продолжительности цикла Тц и импульса Т1.
Устройство регулирования импульсного момента электродвигателя должно состоять из двух подсистем (рис. 1): подсистемы регулирования амплитуды тока якоря и подсистемы регулирования частоты и скважности импульсов этого тока.
Рис. 1. Схема электропривода стенда
Необходимость наличия двух подсистем определяется параметрами питающей электроэнергии (трехфазное напряжение 380 В с частотой 50 Гц), требованием к стабильности параметров пульсирующего момента (ДМ < 5 %) и частотным диапазоном импульсов (от 10 до 1 000 Гц). Электродвигатель создаёт периодически действующий крутящий момент, и в валопроводе исследовательского стенда возникают крутильные колебания.
Сформированный возмущающий электромагнитный момент двигателя можно подобрать по продолжительности импульса и скважности так, что крутильная система стенда войдет в резонанс.
Состав экспериментальной установки
Стенд состоит из 3 основных блоков: исследуемый объект (демпфер), редуктор и электропривод. Общий вид стенда показан на рис. 2.
Рис. 2. Общий вид стенда:
1 - двигатель постоянного тока; 2 - фланцевая полумуфта; 3 - мост ЗИЛ-131;
4 - пневматический тормоз; 5 - ёмкость для тормозной жидкости; 6 - торсиограф Гейгера;
7 - барабанный тормоз; 8 - силиконовый демпфер типа В-790; 9 - кран-балка
Основная функция: создание крутильных колебаний, идентичных колебаниям, возникающим в судовых ДВС.
Необходимо вращать демпфер с такой же скоростью, как на судовых ДВС. Для того чтобы получить на стенде число оборотов демпфера до 375 об/мин электродвигатель должен вращаться соответственно со скоростью 2 600 об/мин, что достигается благодаря техническим характеристикам выбранного электродвигателя (табл. 1).
Таблица 1
Технические характеристики электродвигателя постоянного тока П71М
Параметр Обозначение Единица измерения Числовое значение
Номинальная мощность ^ДПТ кВт 39
Номинальное напряжение Цдпт В 220
Номинальная частота вращения вала Ядпт об/мин 3 000
Коэффициент полезного действия Лдпт % 86
Масса тдпт кг 310
Момент инерции ротора 3дпт кгм2 3,57
*
Двигатель постоянного тока.
Электродвигатель постоянного тока устанавливается на стол на резиновые прокладки для исключения влияния вибраций на измерительные приборы.
Для того чтобы стенд имитировал идентичные процессы рассматриваемого двигателя 8КУБ48Л2и в береговых условиях, было принято решение использовать мост автомобиля марки ЗИЛ-131 (табл. 2).
Таблица 2
Параметры моста автомобиля марки ЗИЛ-131
Параметр Обозначение Единица измерения Числовое значение
Момент инерции редуктора 3мах кгм2 0,5
Длина полуоси -^оси мм 1 020
Ниже представлен ряд расчётов соединительных звеньев стенда для сопоставления с наиболее приближёнными условиями реальной эксплуатации демпфера.
1. Соединительные валы
Вал электродвигателя соединён полумуфтой с фланцем редуктора.
Вал № 1: диаметр А = 0,45 м; длина 11 = 0,845 м; материал - сталь 45; соединение с редуктором - фланцевое на болтах.
Вычисляем податливость вала по формуле из [5]:
Е-■ 32
к-G
А4
, 1/Н • м, (1)
где О - модуль сдвига для стали 8,1 • 10-10 Н/м2.
Общая податливость вала - 2,47 • 1012 1/(Н • м).
Вал № 2: диаметр В2 = 0,06 м; длина 12 = 0,40 м; материал - сталь 45; податливость вала редуктора - 4,79 • 108 1/(Н • м), вычисляется аналогично - по формуле (1).
2. Полуось между редуктором и демпфером: диаметр В = 0,48 м; длина I = 1,02 м; материал - сталь 45.
Вычисляем податливость вала по формуле (1): податливость полуоси - 2,98 • 1012 1/(Н • м).
3. Соединительная фланцевая муфта
Для дальнейших расчетов понадобится значение момента инерции муфты. Вычисляем его по формуле из [5]:
J = — рЮ4, кг • м2, (2)
32
где р = 7 850 кг/м3 - плотность стали; В = 0,12 м - диаметр муфты; I = 0,1 м - длина муфты. Момент инерции муфты равен 0,016 кг • м2.
Ссылаясь на полученные данные, можно утверждать, что стенд будет должным образом моделировать колебания угловой скорости и имитировать процессы, идентичные тем, которые рассматриваются в двигателе 8№УБ48Л2и при частоте вращения коленчатого вала 375 об/мин.
В настоящее время подготовлены чертежи, по которым планируется изготовление экспериментальной установки на ЗАО «Судостроительно-судоремонтный завод им. В. И. Ленина».
Заключение
Таким образом, результатом исследований явилась конструкция стенда для испытаний силиконовых демпферов с использованием редуктора автомобиля марки ЗИЛ-131. На основе результатов обработки данных экспериментов, проведённых ранее, подобран соответствующий электродвигатель П71М для создания стенда в заводских условиях.
Стенд был предложен для монтажа в ЗАО «Судостроительно-судоремонтный завод им. В. И. Ленина». На стенде предполагается проводить эксперименты по определению основных показателей работоспособности силиконовых демпферов. Это позволит оценить возможность вторичного использования демпфера, после окончания срока его эксплуатации. Как следствие, будет решён вопрос о возможности продления ресурса демпфера или же его замене, что сыграет немаловажную роль в сокращении материальных затрат.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Демпфирование крутильных колебаний в судовых валопроводах / В. В. Алексеев, Ф. Ф. Болотин и др. - Л.: Судостроение, 1973. - 280 с.
2. Карась В. З. Силиконовые демпферы крутильных колебаний судовых двигателей внутреннего сгорания // Судоремонт флота рыбной промышленности. - 1976. - № 31. - С. 395-420.
3. Сахаров А. Б. Защита судовых валопроводов от крутильных колебаний. - М.: Транспорт, 1988. - 117 с.
4. Российский морской регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. -Т. 1. - СПб., 2003.
5. Терских В. П. Крутильные колебания валопровода силовых установок. Приложение. - Л.: Судостроение, 1971. - 307 с.
Статья поступила в редакцию 17.07.2009
BENCH FOR NATURAL TESTS OF SILICON DAMPENER В-790 OF MARINE DIESEL ENGINES
A. V. Korablin, A. V. Shevchenko, M. V. Protasov
The opportunity of check of silicon dampener B-790 working capacity with the use of the natural tests bench is considered. The way of installation of the bench and the description of the basic components such as: the electric motor of P71M type with the maximal frequency of rotation 3 000 rev/min. and the axle of the car of ZIL-131 are offered. The assumptions on the secondary use of dampener after the termination of its exploitation term, the reduction of costs on the new dampener purchase, carrying out of В-790 dampener inspection, the qualitative estimation of after repairing conditions, the simplification of the work for the experts of the given structure are made.
Key words: dampener inspection; bench for natural tests.
