Диагностическая модель фрикционного поглотителя колебаний тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Сергеев Константин Олегович

ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФРИКЦИОННОГО ПОГЛОТИТЕЛЯ КОЛЕБАНИЙ

Специальность 01.02.06 - «Динамика, прочность машин, приборов и

аппаратуры »

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург 2005 г.

Работа выполнена в Мурманском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ефремов Леонид Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мусалимов Виктор Михайлович кандидат технических наук Васильков Владислав Борисович

Ведущая организация: Центральный научно - исследовательский

институт имени академика А.Н.Крылова

Защита состоит .часов на заседании диссертаци-

онного совета Д 002.075.01 при Институте проблем машиноведения РАН по адресу: 199178, Санкт-Петербург, Большой пр., В.О., 61, актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в ОНТИ Института проблем машиноведения РАН.

Автореферат разослан _2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.075.01 доктор технических наук Дубаренко В.В.

^ 1Ш7Д7

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Для борьбы с опасными колебаниями в технике широко применяются специальные устройства, которые принято называть успокоителями или поглотителями колебаний. Являясь средством повышения надежности машин, они сами требуют периодического контроля состояния для предупреждения отказов. Это положение подтверждается опытом эксплуатации и диагностирования жидкостных (силиконовых) демпферов крутильных колебаний судовых дизелей. В связи с отработкой их назначенных ресурсов по заданию Главного управления морского Регистра судоходства проведена большая работа по обоснованию и внедрению стандартной методики диагностирования демпферов судовых дизелей. На стадии практического применения указанной методики была выявлена необходимость установления зависимости резонансных колебаний поглотителя от характеристик фрикционной связи и построения на этой основе диагностической модели фрикционного поглотителя вообще и жидкостного демпфера, в частности. Актуальность этой теоретической проблемы связана с тем, что ее нельзя считать до конца решенной даже в трудах основоположников теории колебаний С.П. Тимошенко, Ден-Гартога, С. ПТерских, П. А. Истомина. Таким образом, актуальность темы данной диссертационной работы обуславливается необходимостью расчетно-экспериментального обоснования диагностической модели фрикционного поглотителя колебаний на примере силиконового демпфера крутильных колебаний судовых дизелей.

Целью работы является моделирование работы фрикционного поглоти-

теля колебаний и разработка на ее основе рекор^^^^ТЩ^у^Щ^рр вован и ю

БИБЛИОТЕКА . ] 3

методов и средств диагностики жидкостных демпферов крутильных колебаний коленчатых валов ДВС.

Для достижения этой цели в диссертации рассмотрены следующие задачи:

1 обосновать актуальность разработки диагностической модели фрикционного поглотителя на основе анализа разработанных ранее (при участии соискателя) методов и средств диагностирования демпферов с учетом статистических исследований результатов торсиографирования большой выборки судовых ДВС;

2. разработать проект и создать экспериментальный стенд, подобный реальной крутильной системе силовой установки, провести на нем исследования макета фрикционного поглотителя колебаний с целью определения зависимостей между резонансными амплитудами системы и параметрами фрикционной связи в поглотителе;

3. обосновать диагностическую модель фрикционного поглотителя колебаний в виде функциональной зависимости резонансных амплитуд от параметров фрикционной связи в поглотителе

4. создать расчетную модель системы демпфер - двигатель на основе разработанной общей модели фрикционного поглотителя колебаний и изучить с ее помощью закономерности и возможные причины изменения со временем диагностических параметров демпфера;

5. разработать рекомендации по совершенствованию средств и методов

диагностированию демпферов, основанных на анализе диагностической моде-

ли системы демпфер - двигатель, как на судне, так и на стенде (с разработкой его параметров).

Научная новизна, научная и практическая значимость работы. В

диссертации проведено расчетно-экспериментальное обоснование модели фрикционного поглотителя колебаний на примере силиконового демпфера крутильных колебаний судовых дизелей. В результате оригинальных стендовых испытаний макета демпфера впервые удалось получить зависимость между фрикционными характеристиками поглотителя и резонансными амплитудами колебаний масс, как внешнего корпуса, так и самого поглотителя (маховика). Последующие теоретические исследования, основанные на классической теории динамических гасителей колебаний, позволили подтвердить полученные экспериментальные результаты и впервые построить математическую модель деградации диагностических параметров демпфера.

Анализ полученной модели позволил выявить закономерности и объяснять причины отклонения диагностических параметров демпфера крутильных колебаний от инвариантной точки по мере изменение технического состояния, как демпфера, так в системы вне демпфера

На защиту выносятся:

1. Анализ результатов торсиографирования большой выборки судовых дизелей, характеризующие изменение надежности жидкостных демпферов по мере их эксплуатации.

2. Новая конструкция экспериментального стенда с макетом поглотителя

колебаний, позволяющая впервые непосредственно замерить относительные перемещения маховика относительно корпуса.

3. Экспериментальная зависимость резонансных амплитуд элементов поглотителя От характеристик фрикционной связи маховика и корпуса.

4. Математическая модель фрикционного поглотителя колебаний в виде упругой системы с одной степенью свободы, эквивалентная масса (момент инерции) которой состоит из массы основной системы и доли маховика, зависящей от характеристики фрикционной связи.

5. Доказательство зависимости фрикционной связи поглотителя от доли присоединенной массы маховика и подтверждение на той основе экспериментальной зависимости.

6. Диагностическая модель коленчатого вала ДВС с жидкостным демпфером и ее применение для изучения влияния различных факторов на работоспособность демпфера.

Обоснованность научных положений, рекомендаций, достоверность результатов проведенных в диссертации исследований подтверждена:

• применением современных методов записи и обработки колебаний;

• результатами испытаний макета демпфера на специальном стенде;

• корректными аналитическими изысканиями, основанными на классической теории колебаний машин;

• применением современных цифровых технологий при проведении экспериментальных, аналитических и расчетных исследований;

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на 10-й научно-технической конференции МГТУ (Мурманский государственный технический университет, 1999г.), на Международной научно-технической конференции «Наука и образование - 2004» (Мурманский государственный технический университет, 2004г.), на Международной научно-технической конференции «Наука и образование - 2005» (Мурманский государственный технический университет, 2005 г.), на семинаре в НПМАШ РАН.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 30 наименований. Она содержит 115 страниц машинописного текста, включая 20 таблиц и 43 рисунка.

СОД ЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана оценка состояния проблемы, определены цели и задачи исследования. Отмечено, что проблему диагностики демпферов нельзя считать до конца решенной без изучения механизма ухудшения его технического состояния.

В первой главе рассмотрена конструкция поглотителей колебаний, определена область их применения. Особое внимание уделено анализу экспериментальных методов и средств исследования крутильных колебаний с целью оценки технического состояния демпферов. Статистический анализ надежности более ста демпферов трех типов судов Северного бассейна подтвердил актуаль-

7

ность разработки требований Регистра по периодическому диагностированию демпферов путем торсиографирования силовых установок. При этом в качестве диагностических параметров были выбраны использовать амплитуда и частота резонансных колебаний моторной формы, для гашения которых обычно устанавливаются демпферы. Многолетний опыт соискателя по измерению этих параметров на судах Северного бассейна с применением спектрального анализа колебаний подтвердил эффективность разработанной для Регистра методики оценки остаточного ресурса демпферов. Вместе с тем опыт применения этой методики выявил необходимость изучения зависимости технического состояния демпфера от изменения характеристик фрикционной связи маховика, помещенного внутрь корпуса демпфера. На этом основании была поставлена задача создать специальный динамический стенд и провести на нем экспериментальные исследования макета фрикционного поглотителя колебаний.

Вторая глава посвящена разработке и испытаниям указанного выше стенда. Упруго - массовая система стенда представляет собой вертикальный стальной вал с прикрепленной к нему сверху прямоугольной пластиной, образующей вместе с корпусом демпфера основную массу стенда. Стенд снабжен центробежным возбудителем крутильных колебаний в виде неуравновешенного груза (эксцентрика), который приводится во вращение двигателем через высоко податливую связь. Макет демпфера представляет собой цилиндрической чашу, куда помещен маховик на бронзовом подшипнике. Он жестко соединен с верхним концом упругого вала и опирается на подшипниковый узел, позволяющий совершать системе колебательные движения вокруг оси с минималь-

8

ным сопротивлением трения. Вертикальное расположение корпуса и отсутствие верхней крышки у корпуса является отличительной особенностью этого устройства, которая позволила впервые выполнять измерения относительного перемещения корпуса и маховика с помощью ультразвукового датчика и осуществлять изменения и регулировку характеристик фрикционной связи в соответствие с программой испытаний.

Стенд снабжен измерительной аппаратурой для записи абсолютных и относительных амплитуд колебаний масс маховика и корпуса. Основные характеристики стенда приведены в таблице 1.

Таблица 1

Наименование параметра Величина Размерность

Диапазон частоты возбуждения колебаний ОтЮ до 45 Гц

Жесткость вала диаметром 13 мм при длине 0,47 м. 479 НМ

Общий момент инерции системы без маховика 0,020 кг мг

Момент инерции маховика 0,008 кгм1

Возмущающий момент 6,5 НМ

Круговая частота свободных колебаний системы без маховика 154,5 1/с

Круговая частота свободных колебаний системы с защемленным маховиком 130,5 1/с

Резонансная амплитуда системы без маховика 0,068 радиан

Программой исследования стенда было предусмотрено изучение влияния вязкого трения в зазоре между маховиком и корпусом при девяти значениях вязкости силиконовой жидкости (в диапазоне от 104 до 3105 сСт) и при двух значениях зазора 0,6 и 1,2 мм, которые устанавливались с помощью соответствующих кольцевых прокладок. Для каждого режима испытаний запись кру-

тильных колебаний вала и маховика производилась при медленном повышении частоты вынужденных колебаний с проходом через резонанс. Результаты испытаний представлены в таблице 2 и на графике рис.1.

Таблица 2. Результаты испытаний при вязком трении

Вязкость, сСт Резонансные 1Г колебания кор-гса Резонансные колебания маховика

Амплитуда, рад Частота, Гц Амплитуда, рад Частота, Гц

20000 0,0132 24,21 0,0283 24,21

70000 0,0092 22,15 0,0106 22,15

100000 0,0100 21,52 0,0145 21,52

126000 0,0113 21,25 0,0151 21,25

151000 0,0110 21,10 0,0144 21,10

173750 0,0160 21,00 0,0116 21,00

201750 0,0178 20,95 0,0116 20,95

238750 0,0155 20,90 0,0128 20,90

276000 0,0182 20,86 0,0115 20,86

6.04 0 035 003 0023

002 0015 0 01

0.00!

• ► И %

г"

-л С__( ) О 5 2

¡0 "Тг~

уи? 1 ю? I яо® г-н»" 2.яс? з-1С?

Вязкость, сСт

Рнс.1 Результаты испытаний макета демпфера пом вязком тоенни

Анализ изменения амплитуд резонансных колебаний на рис. 1 показывает, что при самом низком значении вязкости жидкости (смесь силиконового масла с ксилолом) 20000 сСт. амплитуда составила 0,013 рад., которая затем снизилась до 0,0092 рад. при увеличении вязкости до 70000 сСт. Однако, при

дальнейшем увеличении вязкости резонансная амплитуда начала возрастать при небольшом уменьшении изменении резонансной частоты.

Обнаруженные закономерности послужили основанием для перехода к аналитическим исследованиям модели работы фрикционного поглотителя.

В третьей главе проведены аналитические исследования диагностической модели фрикционного поглотителя колебаний на основе классической теории динамического поглотителя колебаний (по Ден - Гартогу), модель которого можно выразить в виде системы с двумя степенями свободы.

Указанная система состоит, во-первых, из массы М и жесткости упругого элемента (пружины) К основной системы и, во-вторых, из массы т, жесткости пружины к и коэффициента затухания с поглотителя. На основную массу воздействует гармоническая сила с амплитудой Ро. Колебательные движения описывает известной системой дифференциальных уравнений:

Решение системы этих уравнений позволило получить формулу для расчета амплитуд колебаний главной массы системы Хи

Очевидно, что наша система является частным случаем указанной системы, когда отсутствует упругая связь и к - 0, но остается фрикционная связь с коэффициентом затухания с.

Мх1+ Кх1 + к[хх -дс2| + + Схвто/

тх2 + к\х2-х^ + с^-х,) = О

(1)

(м-е?-*)2п}-(¿м?{м-а}-т- <¡3-1$-К?¡^а?н?-а?)

(2)

В основу новой модели фрикционного поглотителя была принята гипотеза о присоединении к главной массе системы М некоторой доли р массы маховика т по мере изменения коэффициента затухания с. Это значит, что приведенную выше систему можно заменить эквивалентной системой с одной степенью свободы, масса которой Ме(р) является переменной величиной

М (р) = М + т ■ р

1/2

(3)

(4)

а частота ее свободных колебаний ° где ц= т /М- относительная масса маховика демпфера. Ключевое место в аналитической части исследования занимает решение системы уравнений, образованных путем дифференцирования основной функции (2) при переменной резонансной частоте юо(р). Это позволило впервые найти следующую зависимость коэффициента затухания от присоединяемой доли маховика

2у(2р-\)~у2 +2ру1 1-у{4р2-2р - ])+

1/2

./•„_ .2 . ~ . I * 1л _2 . /

СС{р)={т-кУ

^-РЯ+МЯ + мр) j (5)

Если в формулу (5) подставить значение р 1/2, то после ряда преобразований получим известное выражение для оптимального коэффициента затуха-

ниядемпфера (гО+Дг + лГ'2,

где Ск - критическое затухание демпфера, определяемое как 0^ = 2 о\, т. Путем подстановки в формулу (2) выражений с = с(р) и <а - <о0(р) была получена искомая зависимость амплитуды колебаний главной массы системы

ции (2) при переменной резонансной частоте соо(р). Это позволило впервые найти следующую зависимость коэффициента затухания от присоединяемой доли маховика

1/2

СС(р)=(т-К)1П-

2р(2р-1)-м2+2Мл1 1-//(4р2-2р - 1)+ (ц/2)2

(5)

Если в формулу (5) подставить значение р = 1/2, то после ряда преобразований получим известное выражение для оптимального коэффициента затухания демпфера с<7 _ (2(1 + //)(2+//)) ^

где ск - критическое затухание демпфера, определяемое как ск = 2 сц, т. Путем подстановки в формулу (2) выражений с = с(р) и о) - щ,(р) была получена искомая зависимость амплитуды колебаний главной массы системы от коэффициента затухания демпфера. Построенная по этой формуле кривая, оказалась в хорошем согласии (коэффициент корреляции >0,99) с экспериментальными точками 1 на рис.1. При этом, коэффициенты затухания определялся для резонансных частот во всем диапазоне работы демпфера р= 0 - 0,999.

Таким образом впервые доказана взаимосвязь коэффициента затухания поглотителя с условно присоединенной долей его маховика.

Четвертая глава посвящена разработке диагностической модели системы «демпфер - коленчатый вал - маховик» двигателя. Эта система может совершать свободные колебания, соответствующие так называемой моторной форме колебаний реальной установки, для гашения которой и устанавливается демпфер.

точного расчета как резонансная амплитуда системы без демпфера и с демпфером, а так же возмущающий момент исследуемой гармоники (8 порядок).

Применяя полученные данные к основным зависимостям из третьей главы, находим основные выражения диагностической модели для эквивалентного коэффициента затухания системы

V (оод{р)тд+ССд{р)

\д

(6)

И амплитуды резонансных колебаний

12 -,2

Х1д(С,р,01) = (Хдст)1

С—1 -1

, Сед№ ( »д ]

1/2

(7)

в которые входит величина СС(р), определяемая по формуле (5). Графики развития колебаний коленчатого вала для нескольких значений коэффициента затухания (вязкости жидкости), полученные по формуле (7) показывают, что у модели имеется инвариантная точка, соответствующая присоединению к корпусу половины массы маховика (оптимальное затухание) и две крайние частоты для нулевого затухания (р=0) и очень большого трения (р=\) .

Таким образом, полученные зависимости позволили: • объяснить принцип работы фрикционного поглотителя колебаний(в том числе силиконового демпфера ДВС) и показать, что эффективная работа демпфера соответствует присоединению к главной массе системы 'Л массы маховика демпфера за счет создания соответствующей фрикционной связи;

• доказать, что выбор типа фрикционной вязи не имеет принципиального значения для обеспечения требуемого затухания в инвариантной точке;

• показать, что при моделировании работы фрикционного поглотителя колебаний необходимо учитывать и демпфирование вне поглотителя, то есть демпфирование в самой колебательной системе.

В пятой главе на основе модели, полученной для крутильной системы коленчатого вала ДВС с демпфером, проведен анализ факторов, определяющих изменение диагностических параметров демпфера, и выработаны рекомендации по совершенствованию методик диагностики.

На рис.2, приведен график изменения амплитуд крутильных колебаний в зависимости от изменения параметров фрикционной связи в демпфере (по отношению к параметрам оптимальной настройки).

А/АЮ.5)

_СС(рУСС(0,5)

Рис.2. Зависимость отклонения амплитуды от инвариантного значения

Из графика видно, что изменение параметров фрикционной связи, как в

большую, так и меньшую сторону приводит к увеличению резонансной ампли-

15

туды Максимальное увеличение наблюдается как при очень большом трении (заклинке маховика), так и при нулевом, когда маховик и корпус разъединяются. Полученные зависимости позволили подтвердить низкую информативность диагностики демпферов путем анализа вязкости силиконовой жидкости. Из рисунка 2 следует, что изменение коэффициента затухания в 1,5 раза приво-

»

дат к увеличению амплитуды всего на 10%, что сопоставимо с погрешностью замеров.

Было проанализировано влияние на резонансные амплитуды внешнего трения в системе и показана необходимость приводить объект в нормальное техническое состояние перед началом диагностирования. Большое практическое значение имеет полученная зависимость демпфирования и резонансной работы трения от присоединенной массы маховика (рис.3).

Рис.З.Зависимость резонансной работы трения от коэффициента затухания г

Ухудшение состояния демпфера можно объяснить изнашиванием его » подшипников и накоплением продуктов износа в слое силиконовой жидкости.

Этот процесс приводит к увеличению интенсивности изнашивания. На графике рис. 3 видно, что перед тем как наступает полное схватывание массы с корпусом (для р = 0,994), трение повышается в 2,7 раз, а затем происходит резкое па-« дение коэффициента затухания до нуля.

Анализ работы силы трения показывает, что работа демпфера при резонансных режимах сопровождается интенсивным изнашиванием его подшипников. Это подтверждается исследованиями причин низкой надежности демпфера на рыболовных судах типа «Атлантик 333», который постоянно работал в районе номинальных оборотов вблизи резонанса 2,5 -го порядка.

В заключительной части главы на основе разработанной выше модели фрикционного поглотителя приводиться конструкция малогабаритного стенда для диагностики демпферов.

Заключение

В диссертационной работе выполнены экспериментальные и теоретические исследования по разработке диагностической модели фрикционного поглотителя колебаний на примере силиконового демпфера крутильных колебаний судовых ДВС. При выполнении работы получены следующие основные результаты:

1. На основе анализа статистических исследований результатов торсио-графирования большой выборки судовых ДВС и разработанных ранее методов ' и средств диагностирования демпферов обоснована актуальность разработки диагностической модели фрикционного поглотителя, вытекающая из невоз-

можности предсказания существующими методиками причин изменения диагностических параметров.

2. Впервые разработан экспериментальный стенд, подобный реальной крутильной системе силовой установки, позволяющий определять как амплитуды самой крутильной системы, так и амплитуды взаимного перемещения массы маховика и корпуса поглотителя колебаний. Стенд позволяет проводить изучение макета фрикционного поглотителя колебаний при различных видах и параметрах трения в нем. На стенде были проведены исследования макета фрикционного поглотителя колебаний и определены зависимости между резонансными амплитудами крутильной системы, амплитудами относительного перемещения массы маховика и параметрами фрикционной связи в поглотителе.

3. Впервые обоснована диагностическая модель фрикционного поглотителя колебаний в виде функциональной зависимости резонансных амплитуд от параметров фрикционной связи в поглотителе, основанная на представлениях о зависимости коэффициента затухания в поглотителе от доли присоединенной массы маховика. Адекватность модели подтверждена совпадением теоретических результатов с практическими данными, полученными на стенде.

4. Впервые, на основе разработанной общей модели фрикционного поглотителя колебаний, создана расчетная модель системы демпфер - двигатель и с ее помощью изучены закономерности и проанализированы возможные причины изменения со временем диагностических параметров демпфера. Указана методика приведения системы реального двигателя к расчетной модели демпфер - двигатель.

5. На основе анализа диагностической модели системы демпфер - двигатель, разработаны практические рекомендации по совершенствованию средств и методов диагностирования демпферов, как на судне, так и на специальном стенде.

6. Предложена конструкция малогабаритного стенда для диагностики демпферов, свободного от погрешностей определения технического состояния демпфера непосредственно на двигателе. Дана методика определения его конструктивных параметров.

Публикации по теме диссертационной работы

1.Бухарина Г.И., Ефремов Л.В., Иванов М.Ю., Сергеев К.О. Вопросы повышения точности и достоверности исследования крутильных колебаний судовых валопроводов. // Науч.-техн. сб. Российского морского регистра судоходства. — 1999. — Вып. 22. — С. 152 -169.

2. Ефремов Л.В., Сергеев К. О. Статистическая проверка методики оценки долговечности демпферов. ДВС // МГТУ Тезисы десятой научно технической конференции. - Мурманск, 1999.-С,-444-446.

3. Ефремов Л.В., Сергеев К. О. Приборное и программное обеспечение для диагностики технического состояния демпферов // МГТУ. Тезисы десятой научно - технической конференции. - Мурманск, 1999.С-446-448.

4. Ефремов Л.В., Сергеев К. О. Стендовые испытания макета демпфера крутильных колебаний при моделировании сухого и вязкого трения // МГТУ Материалы международной научно - технической конференции "Наука и образование - 2004". Часть 5 - Мурманск, 2004. - С. 329-333.

5. Ефремов Л.В., Сергеев К О., Иванов М.Ю. Исследование фрикционных свойств демпферов крутильных колебаний ДВС // Науч.-техн. сб. Российского морского регистра судоходства. — 2004. — Вып. 27. —С. 160-181.

6. Ефремов Л.В., Сергеев К.О. Виброизмерительный метод исследования свойств демпфера крутильных колебаний // Вестник МГТУ - 2004г - т.7 №3 —

С.441-451.

7 Ефремов Л.В., Сергеев К. О. Математическая модель фрикционного поглотителя колебаний // МГТУ. Материалы международной научно - технической конференции "Наука и образование - 2005". Часть 7 - Мурманск, 2005 . -С. 169-172.

8. Ефремов Л.В., Алексеев В.В., Сергеев К. О., Покусаев М. Н. Моделирование работы демпфера крутильных колебаний. // Проблемы машиностроения и надежности машин, № 6, 2005.

9. Отчет о НИР "Обеспечение надежности судового оборудования" № ГР 01960011584. Инв. № 0298.0 004932. - Мурманск: МГТУ, 1998,Отчет по НИР "Разработка методики по диагностированию, оценке надежности и определению остаточного ресурса демпферов крутильных колебаний судовых ДВС. -Мурманск: МГТУ, 2000.

»

I

Оглечатанр в ООО "Полиграфист" Заказ ввЗ Тираж 80 Подписано в печать 28.09 05 г. г. Мурманск, ул. Шмидта, 43, тел. 45-42-83

4

»

P1 8 4 8 1

РНБ Русский фонд

2006-4 21659

i

Список условных обозначений. ы Список принятых сокращений.

Введение. Постановка задачи исследования.

Глава 1. Анализ эксплуатационных свойств фрикционных поглотителей на примере демпферов двигателей внутреннего сгорания.

1.1 .Фрикционные поглотители колебаний. Назначение и устройство.

1.2.0сновные неисправности и ресурс демпферов

Требования Регистра по определению остаточного ресурса.

1.3. Анализ методов и средств диагностики и контроля технического состояния демпферов.

1.3.1. Контроль по состоянию силиконовой жидкости.

1.3.2. Метод торсиографирования.

1.3.3. Метод прямого тензометрирования.

1.3.4. Испытание демпферов на специальных стендах.

1.4. Повышение точности и достоверности диагностики демпферов методом торсиографирования.

1.5. Методика диагностики технического состояния демпферов.

1.6. Результаты анализа исследований крутильных колебаний

СЭУ судов рыбопромыслового флота.

1.7. Выводы к первой главе

Глава 2 Разработка виброизмерительного стенда для испытания макета фрикционного поглотителя.

2.1. Конструкция стенда.

2.2. Тарировка измерительной аппаратуры стенда.

2.3. Программа и методика испытаний.

2.4. Результаты испытаний.

2.4.1. Анализ кривых развития колебаний.

2.4.2. Результаты измерений амплитуд колебаний.

2.4.3. Влияние зазора между маховиком и корпусом демпфера.

2.5. Выводы ко второй главе.

Глава 3 Моделирование работы силиконового демпфера.

3.1. Постановка задачи теоретического исследования фрикционных поглотителей.

3.2.Исходные положения для математической модели фрикционного поглотителя.

3.3. Основные формулы математической модели фрикционного поглотителя.

3.4. Основные формулы математической модели фрикционного поглотителя для системы с крутильными колебаниями

3.5. Методика расчета фрикционного поглотителя для системы с крутильными колебаниями.

3.6. Проверка адекватности модели фрикционного поглотителя для системы с крутильными колебаниями

3.7. Выводы к третьей главе.

Глава 4. Разработка математической модели коленчатого вала ДВС с демпфером крутильных колебаний.

4.1 .Постановка задачи.

4.2. Составление математической модели коленчатого вала ДВС с демпфером крутильных колебаний.

4.3. Выводы к четвертой главе.

Глава 5 Совершенствование методов диагностирования демпферов ДВС на судне и специальном стенде.

5.1. Анализ факторов определяющих ресурс демпфера крутильных колебаний и методов их диагностирования.

5.2. Основные характеристики испытательного стенда.

5.3. Выводы к пятой главе.

Для борьбы с опасными колебаниями в технике широко применяются специальные устройства, которые принято называть успокоителями или поглотителями колебаний. Являясь средством повышения надежности машин, они сами требуют периодического контроля состояния для предупреждения отказов. Это положение подтверждается опытом эксплуатации и диагностирования жидкостных (силиконовых) демпферов крутильных колебаний судовых дизелей. В связи отработкой их назначенных ресурсов по заданию Главного управления морского Регистра судоходства при участии соискателя проведена большая работа по обоснованию и внедрению стандартной методики диагностирования демпферов судовых дизелей. На стадии практического применения указанной методики была выявлена необходимость установления зависимости резонансных колебаний поглотителя от характеристик фрикционной связи и построения на этой основе диагностической модели фрикционного поглотителя вообще и жидкостного демпфера, в частности. Актуальность этой теоретической проблемы связана с тем, что ее нельзя считать до конца решенной даже в трудах основоположников теории колебаний С.П. Тимошенко, Ден-Гартога, С. П.Терских, П.А. Истомина. [10,22,23, 25,27]

Таким образом, актуальность темы данной диссертационной работы обуславливается необходимостью расчетно-экспериментального обоснования диагностической модели фрикционного поглотителя колебаний на примере силиконового демпфера крутильных колебаний судовых дизелей. Тем более что, указанная выше методика диагностики, принятая Морским Регистром России в качестве руководящего документа основана на статистическом подходе, а методики диагностики, построенной на понимании механизма изменения демпфирующих свойств поглотителя колебаний по мере выработки ресурса, не существует и в настоящее время.

Таким образом, задачами настоящей работы являются:

1. выполнение аналитического обзора исследований, проведенных с участием соискателя при разработке методики для Морского Регистра, с целью обоснования диагностических параметров, определения оптимального метода проведения измерений при диагностике демпферов, анализа их надежности и выявления недостатков указанной методики;

2. разработка экспериментального стенда, подобного реальной крутильной системе силовой установки, для исследования макета фрикционного поглотителя колебаний с целью определения зависимостей между резонансными амплитудами системы и характером фрикционной связи в поглотителе;

3. обоснование диагностической модели фрикционного поглотителя колебаний связывающей величину резонансных амплитуд крутильной системы с величиной демпфирования в поглотителе, в основу которой положена гипотеза о зависимости демпфирования от доли массы маховика поглотителя, присоединенной к основной массе системы;

4. создание модели работы системы демпфер - двигатель на основе разработанной общей модели фрикционного поглотителя колебаний и изучение с ее помощью закономерностей и возможных причин изменения со временем диагностических параметров демпфера;

5. разработка рекомендаций по совершенствованию средств и методов диагностирования демпферов, основанных на анализе диагностической модели системы демпфер - двигатель, как на судне, так и на стенде (с разработкой его параметров).

5.3. Выводы к пятой главе Основываясь на уравнениях диагностической модели коленчатого вала двигателя с демпфером, были (по значениям реальных параметров) получены и проанализированы:

• зависимость изменения резонансных амплитуд при отклонении от инвариантной точки;

• зависимость работы трения от коэффициента затухания;

• влияние внешнего трения па значение резонансных амплитуд;

• зависимость коэффициента затухания и резонансной работы трения, как функций от доли присоединенной массы маховика демпфера.

Наибольший интерес с диагностической точки зрения имеют первая и последняя из полученных зависимостей. Первая показывает, что изменение амплитуд при отклонении от инвариантной точки (оптимального положения на которое рассчитан демпфер) имеет различную скорость, а само увеличение амплитуд оказывается значительно меньшим, чем ожидаемое по изменению коэффициента затухания значение. Так как отклонение вправо и влево от инвариантной точки вызывается различными неисправностями, то и скорость изменения амплитуд зависит от вида неисправности, а различная скорость изменения указывает на их разную опасность для демпфера.

Последняя зависимость показывает, что скорость изменения кривой работы трения при значительном отклонении (более 0,8/* и менее 0,2р) демпфирования от оптимального значения имеет сильно нелинейный характер, что может в процессе эксплуатации привести к мгновенной потере демпфирующих свойств из-за заклинки маховика или потери с ним фрикционной связи. Указанная зависимость может служить основой для выбора допустимых пределов изменения демпфирующих свойств, без риска получения внезапного отказа во время эксплуатации демпфера.

Не маловажным является и выявление степени влияния внешнего трения на значение резонансных амплитуд. В обычной практике диагностирования демпферов этот фактор не учитывается, что приводит иногда к противоречивым результатам.

Полученные зависимости позволяют сформулировать требования по повышению точности диагностирования демпферов, к которым следует отнести:

1. проведение диагностирования с использованием в качестве диагностического параметра амплитуд резонансных колебаний моторной формы так, как диагностика, основанная на измерении вязкости силиконовой жидкости, не обладает необходимой чувствительностью;

2. учет, при определении технического состояния демпфера, демпфирования вне поглотителя колебаний, в том числе и вклад конструкционного демпфирования из-за ослабления затяжки болтов и ослабления посадок (проводить перед работами по диагностированию соответствующий контроль);

3. учет характера кривой (рис.42) из поведения которой следует, что после изменения параметра р, (увеличения из-за накопления продуктов износа, или уменьшения из-за потери жидкости) до определенной величины, возможно резкое нарушение работоспособности демпфера (заклинка массы маховика или полная потеря ее связи с корпусом);

4. использование, при диагностике демпферов, специальных стендов (примерная конструкция такого стенда дана в этой главе), не имеющих погрешностей от демпфирования вне поглотителя колебаний.

107

Заключение

В диссертационной работе автором обоснована необходимость и выполнены экспериментальные и теоретические исследования по разработке диагностической модели фрикционного поглотителя колебаний на примере вязкостного силиконового демпфера. К необходимости разработки указанной диагностической модели привели аналитические исследования надежности судовых демпферов, проведенные, при участии соискателя, в период разработки методики диагностирования демпферов для Морского Регистра.

При выполнении работы получены следующие основные результаты:

1. Статистический анализ надежности демпферов (на базе изучения работоспособности более ста демпферов трех типов судов) показал, что методики диагностики, основанные на статистическом подходе, могут давать достаточно надежный прогноз надежности демпфера, но не раскрывают механизм деградации демпфера в процессе работы. Демпфера одинакового типа, установленные на разные типы двигатели, могут иметь различный ресурс, то есть разную надежность. Кроме этого, однотипные демпфера, установленные на одинаковые типы двигателей и суда одного проекта так же могут иметь различный ресурс, причем, после отработки гарантированного изготовителем срока, время работы демпфера до отказа может быть разным и плохо прогнозируемым. Не решены проблемы оценки причин тренда диагностических параметров со временем на конкретном судне и различного уровня надежности демпферов на судах разных типов, потому эти методики не могут прогнозировать поведение демпфера на конечном этапе срока службы.

2. Для повышения точности существующих методик выбран диагностический параметр - резонансные амплитуды моторной формы, и определен метод его измерения - торсиографирование.

3. Разработан специальный стенд с макетом демпфера, воспроизводящий соотношения реальной силовой установки. На стенде проведены опыты по изучению зависимости резонансных амплитуд и частот от величины демпфирования. Построены и проанализированы графики развития резонансных амплитуд основной массы стенда и массы маховика макета демпфера относительно основной массы в зависимости от величины трения в поглотителе колебаний. Кривые полученных зависимостей имеют сложный вид с явно выраженным экстремумом (минимумом), причем амплитуды колебаний возрастают при отклонении от точки минимума вправо и лево с различной крутизной. Определен диапазон изменения частот резонансных колебаний при изменении фрикционной связи между массами стенда, зарегистрированы кривые колебаний массы стенда и кривые перемещения маховика макета демпфера относительно массы стенда, определены величины фазового сдвига колебаний указанных масс в зависимости от величины и характера трения в макете. Проанализирован характер развития колебаний (при различных видах трения) на разных стадиях процесса.

4. Разработана диагностическая модель поглотителя колебаний к необходимости которой привели результаты анализа экспериментальных данных, полученных на стенде. В теоретической модели, разрабатываемой на основе общих представлений, была впервые принята, а затем и подтверждена, гипотеза о том, что принцип действия фрикционного поглотителя колебаний связан с присоединением к главной массе системы М некоторой доли р массы поглотителя т по мере изменения коэффициента затухания с. Указанное положение имеет большое теоретическое и практическое значение.

Модель поглотителя представлена в виде упругой системы с одной степенью свободы с переменной по величине эквивалентной массой Ме(р). Под эквивалентной массой (моментом инерции) Ме(р) понимается масса (момент инерции) колебательной системы с присоединенной к ней частью массы маховика, причем величина присоединенной части маховика определяет не только амплитуду колебаний системы, но и эквивалентный коэффициент затухания системы. Математически модель работы фрикционного поглотителя колебаний (в том числе и силиконового демпфера) получена в виде формулы связывающей амплитуду колебания системы Х\ со значением эквивалентного коэффициента затухания Се одно - массовой системы с поглотителем. В свою очередь эквивалентный коэффициент затухания Се представлен, как функция от величины затухания поглотителя СС (р), который определяется величиной присоединенной массы маховика р. Адекватность модели подтверждена совпадением теоретических результатов с практическими данными полученными на стенде.

5. Указанная выше диагностическая модель была распространена на реальную систему демпфер - двигатель. Предложен метод приведения много - массовой системы реальной силовой установки (на примере восьмицилиндрового дизеля) к эквивалентной одно - массовой системе путем определения эквивалентной жесткости вала и расчета эквивалентного момента инерции. Предложена формула для определения демпфирования вне двигателя, величина которого входит в формулу диагностической модели. Получены, для модели конкретной силовой установки, закономерности развития резонансных кривых при разных значениях коэффициента затухания, позволяющие определять изменение диагностических параметров при различных состояниях фрикционной связи. В процессе исследований было корректно обоснованы точные выражения для оценки всех характеристик динамического поглотителя колебаний, включая координаты инвариантных точек. Полученные зависимости позволили:

• объяснить принцип работы фрикционного поглотителя колебаний (в том числе и силиконового демпфера ДВС) и показать, что эффективная работа демпфера соответствует присоединению к главной массе системы Уг массы маховика демпфера за счет создания соответствующей фрикционной связи;

• доказать, что выбор типа фрикционной связи не имеет принципиального значения для обеспечения требуемого затухания в инвариантной точке;

• показать, что при моделировании работы фрикционного поглотителя колебаний необходимо учитывать и демпфирование вне поглотителя, то есть демпфирование в самой колебательной системе.

6. Получены и проанализированы (основываясь на уравнениях диагностической модели коленчатого вала двигателя с демпфером для реальной силовой установки) закономерности:

• изменения резонансных амплитуд при отклонении от инвариантной точки;

• работы трения от коэффициента затухания;

• коэффициента затухания и резонансной работы трения, как функции от доли присоединенной массы маховика демпфера;

• влияния внешнего трения на значение резонансных амплитуд.

Полученные закономерности позволили сформулировать требования по повышению точности диагностирования демпферов, к которым следует отнести:

• проведение диагностирования с использованием в качестве диагностического параметра амплитуд резонансных колебаний моторной формы так, как диагностика, основанная на измерении вязкости силиконовой жидкости, не обладает необходимой чувствительностью (указанное положение еще раз подтверждает правильность сделанного раннее выбора диагностического параметра и метода его измерения);

• учет, при определении технического состояния демпфера, демпфирования вне поглотителя колебаний, в том числе и вклад конструкционного демпфирования из-за ослабления затяжки болтов и ослабления посадок (проводить перед работами по диагностированию соответствующий контроль);

• учет характера кривой (рис.42) из поведения которой следует, что после изменения параметра р, (увеличения из-за накопления продуктов износа, или уменьшения из-за потери жидкости) до определенной величины, возможно резкое нарушение работоспособности демпфера (заклинка массы маховика или полная потеря ее связи с корпусом);

• использование, при диагностике демпферов, специальных стендов, не имеющих погрешностей от демпфирования вне поглотителя колебаний.

7. Предложена конструкция компактного стенда для диагностирования демпферов и дана методика определения его конструктивных параметров.

1. Агуреев А. Г., Баршей Ю.С. Крутильные колебания и надежность судовых валопроводов. М.: Транспорт, 1982 .- 111 с.

2. Алексеев В. В., Г. Д. Болотин Демпфирование крутильных колебаний в судовых валопроводах. Л.:Судостроение, -1973 - 279 с.

3. Адлер Ю.П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. -278с.

4. Крутильные колебания валопроводов судовых установок/ В.В. Алексеев, Г.И. Бухарина, К.Н. Пахомов, В.П. Терских// Труды ЦНИИ им. Акад. А.Н. Крылова. Вып. 257. JI.,1970.

5. Алексеев В.В., Терских В.П. Теория и метод расчета нелинейного силиконового демпфера крутильных колебаний с упругим креплением его ступицы к валу // Изв. вузов СССР. №3.- М., 1966 -С. 129-132

6. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике./ М.: Госстройиздат, 1961.-325 с.

7. Бухарина Г.И. Демпфирование в поршневых двигателях при резонансных крутильных колебаниях // Труды ЛПИ. № 20. Л., 1965. -С. 140-148.

8. Бухарина Г. И. Демпфирование резонансных крутильных колебаний в масляном слое подшипников скольжения // Труды ЛПИ № 264. -М.-Л., 1966.-С. 56-62.

9. Ден-Гартог Д. П. Механические колебания. М.: ГИФМЛ, 1960.580 с.

10. Ефремов JI. В. Практика инженерного анализа надежности судовой техники. Л.: Судостроение, 1980. 147 с.

11. Ефремов Л.В. Особенности диагностирования демпферов крутильных колебаний ДВС// Тезисы 8-й НТК МГТУ. Мурманск, 1997. -С.36-38

12. Ефремов Л.В. Попов Р. К., Номограмма для диагностирования технического состояния демпфера// Тезисы 9-й НТК МГТУ. -Мурманск, 1998. С. 34-32.

13. Ефремов Л.В. Приближенные формулы для расчета запретной зоны оборотов // Регистр СССР: Научно-технический сборник. Вып. 2. -Л, 1972. -С.146-153

14. Ефремов Л.В. Расчет колебаний валопроводов методом "цепных дробей" в системе электронных таблиц EXCEL// Тезисы 9-й НТК МГТУ. Мурманск, 1998.-С. 435-437.

15. Ефремов Л.В., Боянжу А. В. Анализ причин низкой надежности демпферов главных двигателей судов типа "Атлантик 333"// Тезисы 9-й НТК МГТУ. - Мурманск, 1998. С.440-442.

16. Ефремов Л.В., К. О. Сергеев. Статистическая проверка методики оценки долговечности демпферов. ДВС. // МГТУ Тезисы десятой научно-технической конференции. Мурманск, 1999.-С. 446-448.

17. Ефремов Л.В., Сергеев К.О. Приборное и программное обеспечение для диагностики технического состояния демпферов // МГТУ. Тезисы десятой научно технической конференции. - Мурманск, 1999.- С.444-446

18. Истомин П. А. Динамика судовых двигателей внутреннего сгорания. JL: Судостроение, 1964,- 288 с.

19. Истомин П. А. Крутильные колебания в судовых ДВС. JL: Судостроение, 1968. 303 с.

20. Конструктивное демпфирование в неподвижных соединениях/ Н.Г. Калинин. Ю.А., Лебедев, В.И. Лебедева, Я.Г. Пановко, Н.Г. Страхов. Рига.: Изд. АН Латв. ССР, 1960. - С.86-88.

21. Лурье И.А. Крутильные колебания в дизельных установках. М.- Л.: Военмориздат, 1940. 386с.

22. Отчет о НИР "Обеспечение надежности судового оборудования" № ГР 01960011584. Инв. № 0298.0 004932. МГТУ, Мурманск 1998.420 с.

23. Отчет по НИР "Разработка методики по диагностированию, оценке надежности и определению остаточного ресурса демпферов крутильных колебаний судовых ДВС.- МГТУ, Мурманск 2000.-360 с.

24. Терских В. П. Крутильные колебания валопровода силовых установок. Исследования и методы расчета. Т. 1., 1969; Тт. II IV , 1970; Приложение, 1971. Л.: Судостроение.

25. Сахаров А.Б. Защита судовых валопроводов от крутильных колебаний. М.: Транспорт, 1982. 115 с.