ВИБРОИЗОЛИРУЮЩАЯ ПОДВЕСКА ТРУБОПРОВОДА
VIBRATION INSULATING SUSPENSION OF PIPELINE

Изобретение относится к области судостроения, а именно к устройствам, обеспечивающим виброизоляцию корпуса судна и судовых помещений от внутренних источников вибрации, передаваемых на корпусные конструкции, и может быть использовано и в других отраслях промышленности.
Известна виброизолирующая подвеска трубопровода, включающая два полухомута, соединенные между собой крепежными болтами, и виброизолирующий элемент, расположенный между полухомутами и трубопроводом (OCT 5Р. 5398-83, Подвески трубопроводов амортизирующие. Типы, основные параметры и размеры. - М.: Изд-во стандартов, 1983). В указанной конструкции виброизолирующий элемент представляет собой обмотку из резиновой ленты. Одним из недостатков подобной конструкции является ее низкие виброизолирующие свойства.
Также известна виброизолирующая подвеска трубопровода, представляющая два полухомута, соединенные между собой элементами крепления и упругий элемент с треугольными вырезами, расположенный между полухомутами и трубопроводом. (Авт. свид. СССР №1767270).
Наиболее близкой к предлагаемому устройству по технической сущности является виброизолирующая подвеска трубопровода по патенту РФ №140226, состоящая из упругого элемента, выполненного из эластомерного материала, охватывающего трубопровод и фиксируемого с помощью полухомутов. Ее упругий элемент выполнен в виде бруска с профилями вырезов, которые имеют форму полукруга, расположенными равномерно подлине упругого элемента. Вырезы с обращенной к трубопроводу стороны отличаются по радиусу от вырезов, обращенных к полухомутам. При этом вырез, обращенный к трубопроводу, расположен симметрично между двумя вырезами, обращенными к полухомутам.
0
Все указанные виброизолирующие подвески трубопроводов (ВИПТ) работоспособны (обеспечивают виброизоляцию) лишь в диапазоне частот свыше 25 Гц. Эта особенность подвесок является следствием относительно высокой собственной частоты подвесок, которые, даже при использовании виброизолирующих резин, оказывается выше 70 Гц. Это связано с тем, что нижнее значение частот ограничено в первую очередь значением собственной частоты ВИПТ ƒ, определяемой по формуле:
вибр
где С - вибрационная жесткость ВИПТ, m - масса нагрузки.
0
0
вибр
Чем ниже собственная частота ƒ ВИПТ, тем ниже значения частот, при которых происходит эффективная виброизоляция трубопровода. Из формулы (1) следует, что для снижения собственной частоты ƒ необходимо снижение С - вибрационной жесткости ВИПТ. Наиболее эффективны будут ВИПТ, спроектированные таким образом, чтобы при деформации подвески в процессе эксплуатации проявлялся эффект квазинулевой жесткости (КНЖ). Такие ВИПТ обладают собственной частотой ниже 5 Гц, что обеспечивает их работоспособность при низких частотах от 5 Гц и выше.
0
Этот вывод подтверждается приведенным ниже расчетом по формуле (1) собственной частоты ƒ ВИПТ:
вибр
С=1,3 Н/мм - жесткость подвески в рабочем состоянии, получена расчетом методом конечных элементов;
m=1,54 кг - вес участка трубопровода Dy=32 мм, приходящийся на 1 подвеску;
Следовательно, разработанные элементы резиновые с эффектом КНЖ обеспечивают работоспособность амортизаторов с КНЖ при низких частотах 5 Гц и выше.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении виброизолирующих свойств подвески трубопровода и в снижении колебательной мощности, передающейся от трубопровода на его опорную поверхность, путем создания ВИПТ, использование которой обеспечит виброизоляцию корпуса судна и судовых помещений в диапазоне низких частот от 5 Гц и выше.
Получение такого технического результата обеспечивается в техническом решении виброизолирующей подвески трубопровода, содержащей два полухомута, соединенных между собой элементами крепления, и снабженной хвостовиком, соединенным с одним из полухомутов, а также расположенный между полухомутами и трубопроводом упругий монолитный резиновый элемент. При этом упругий элемент должен прилегать к трубопроводу без зазора и выполнен из резин, у которых тангенс угла механических потерь (tgδ) не менее 0,2 при 20°С, и конструктивно исполнен в виде ленты, на которой последовательно расположены двухступенчатые выступы, выполненные в форме конфузора. Эти выступы состоят из двух разновеликих цилиндров (нижний - большего диаметра), соединенных усеченным конусом, и имеющими внутри отверстие, подобное внешней форме выступа, причем отношение высот и диаметров упомянутых цилиндров зависят от диаметра трубопровода, а высота усеченного конуса зависит от упругости материала ленты и определяется методом конечных элементов (МКЭ) в компьютерной реализации, чтобы обеспечить широкий диапазон деформаций и нагрузок подвески, при котором проявляется эффект КНЖ. Кроме того, упомянутая лента накладывается на трубопровод со стороны выступов.
В частном случае выступы на ленте выполнены в виде круговых цилиндров, расположенных в два ряда в шахматном порядке.
В другом частном случае выступы на ленте выполнены в виде одного ряда эллиптических цилиндров, причем большая ось эллипсов расположена поперек ленты.
В еще одном частном случае у виброизолирующей подвески трубопровода на нижней стороны ленты по ее краям выполнены реборды (продольные выступы), расстояние между которыми равно ширине полухомутов, чтобы ограничить возможность перемещения ленты относительно полухомутов во время работы.
Сущность изобретения поясняется тремя рисунками (фиг. 1÷3), на которых изображено: на фиг. 1 - поперечное сечение ВИПТ, установленной на трубопроводе, на фиг. 2 и 3 - упругий резиновый элемент, выполненный в виде ленты, с двумя вариантами конструкции выступов.
Виброизолирующая подвеска трубопровода (фиг. 1) состоит из упругого резинового элемента 1, который прилегает к трубопроводу 2 со стороны выступов и закреплен на трубопроводе 2 двумя полухомутами 3 и 4, скрепленные между собой болтовым креплением 5. К одному полухомуту приварен хвостовик 6, предназначенный для последующего крепления подвески к корпусной конструкции.
Упругий монолитный резиновый элемент (фиг. 2 и 3), выполнен в виде ленты 7, сверху которой последовательно расположены цилиндрические двухступенчатые выступы 8 (два цилиндра, соединенные усеченным конусом), а снизу по краям ленты имеются реборды 9. В поперечном сечении выступы, выполнены в форме конфузора и имеют внутреннюю полость 10, подобную внешней форме выступа, и состоят из нижнего цилиндра большего диаметра 11 и верхнего цилиндра 12, соединенных усеченным конусом 13.
ВИПТ работает следующим образом.
При возникновении вибраций трубопровода 2 (фиг. 1) упругий монолитный резиновый элемент 1 (фиг. 1), выполненный в виде ленты с двухступенчатыми выступами 8 (фиг. 2÷3), равномерно расположенными по длине ленты, торцы которых прилегают к трубопроводу, гасит вибрационные колебания и тем самым не передает их через хвостовик 6 (фиг. 1) подвески на корпусную конструкцию.
Форма выступов на ленте, оптимальная конструкция которых была найдена опытным путем, гарантированно обеспечивает высокие виброизолирующие свойства подвески за счет того, что при деформации подвески в процессе эксплуатации проявляется эффект квазинулевой жесткости (КНЖ).
Одной из особенностей этой конструкции является то, что жесткость ленты меняется плавно за счет проявления эффекта КНЖ, т.е. при колебаниях с изменением величины деформации ленты жесткость меняется немного. Этот эффект позволяет существенно уменьшить резонансный эффект.
Другой особенностью конструкции является то, что нагружение должно находиться в заданном диапазоне. Чем меньше диапазон, тем меньшую жесткость подвески можно обеспечить и, соответственно, отстроить от резонанса меньшей частоты.
Наибольшее гашение вибраций происходит в усеченных конусах, так как в них происходят наибольшие деформации при колебаниях трубопровода, и они являются наиболее нагруженными зонами упругого элемента. Поэтому высота (или угол наклона) усеченного конуса, обеспечивающие максимальное проявление эффекта КНЖ в виброизолирующей подвеске, зависит от упругости материала ленты и определяется также методом конечных элементов (МКЭ), исходя из упругости материала резинового элемента.
Применение метода конечных элементов основано на базе вариационных принципов механики, в основе которых заложены два фундаментальных скаляра: потенциальная и кинетическая энергия упругой конструкции. Определение этих скаляров, независимых от выбранной системы координат, позволяет записывать соотношение МКЭ в инвариантной форме.
Для изготовления опытных образцов упругих элементов ВИПТ использовались резиновые смеси 51-2893 и 51-2894 ТУ 2512-157-00152075-2015, на основе бутадиеннитрильного синтетического каучука марки БНКС-40АМН и бутилкаучука марки БК-1675Н. Эти резиновые смеси обеспечивают работоспособность виброизолирующих элементов судовых трубопроводов в интервале температур от минус 5 до плюс 70°С, а также обладают высокими значениями tgδ (тангенс механических потерь), который напрямую связан с виброизолирующими характеристиками материала, чем выше tgδ, тем больше энергии затраченной на деформацию рассеивает материал.
Использование заявленной конструкции ВИПТ будет способствовать улучшению акустического облика корабля или ПЛ, снижению вибрационных нагрузок на агрегаты и корпус корабля или ПЛ, передающихся от трубопроводов, соединяющих силовые агрегаты, компрессоры, насосы.