Способ снижения вибраций и устройство для его реализации - виброшунт
METHOD FOR REDUCING VIBRATIONS AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION- A VIBRATION SHUNT

Изобретение относится к способам и средствам, обеспечивающим снижение уровней вибрации трубопроводов.
Известны способы, обеспечивающие снижение уровней вибрации, заключающиеся в отводе энергии колебаний тела или систем тел, когда целевой функцией является снижение уровня их вибраций, в другие тела.
Например, на практике применяются динамические гасители колебаний [1], которые снижают уровень вибрации. Работа гасителей основана на формировании силовых воздействий на вибрирующий объект, но фактически, это откачка энергии из вибрирующего тела, а подбор характеристик массы и жесткости гасителя повышает энергоемкость гасителя. Недостатком такого способа является необходимость точной настройки гасителя, и существенная зависимость эффективности его работы от флуктуации частоты колебаний защищаемого объекта.
Другим способом является наложение на объект дополнительных кинематических связей [1 стр. 326], например, закреплением отдельных его точек, что обеспечивает локальное снижение вибраций в этих точках. Для трубопроводов это может быть установка дополнительных опор, использующихся в качестве элементов, отводящих энергию колебаний в несущие конструкции. В этом случае один крайний элемент отводящего энергию колебаний элемента опоры или подвески, выполненной в виде сборки деталей, фиксируется на поверхности детали, узла, подверженного действию вибрации, а другой крайний конец элемента опоры, отводящего энергию колебаний, фиксируется на несущих строительных конструкциях, несущих корпусных деталях подвижных объектов и т.п.
Недостатком такого способа является то, что не всегда на защищаемом объекте может быть место для установки элемента опоры, как и то, что не всегда есть место для установки опоры на несущих конструкциях в силу недостаточной прочности или жесткости, как это может иметь место на объектах транспорта.
Использование амортизирующих элементов является по сути вариантом последнего способа.
Задачей изобретения является локальное уменьшение вибраций в защищаемых от вибрации конструкциях трубопроводов без отвода энергии колебаний в конструкции, принимающие на себя энергию колебаний, в том числе, несущие конструкции.
1. Указанный технический результат достигается применением способа, обеспечивающего снижение уровня вибраций защищаемой конструкции в локальной области за счет отвода энергии вибрации из этой области через соединительный элемент, связывающий окрестность локальной области с конструкциями, принимающими на себя энергию вибраций, отличающегося тем, что энергия вибраций отводится в защищаемую конструкцию, причем соединительный элемент виброшунт связывает две зоны его закрепления на защищаемой конструкции в окрестности локальной области так, что первая зона его закрепления находится между источником возбуждения вибрации и локальной областью защищаемой конструкции, а вторая зона закрепления находится за локальной областью защищаемой конструкции на оси, соединяющей источник возбуждения вибрации и локальную область защищаемой конструкции, при этом соединительный элемент виброшунт выполнен в виде выпуклой детали, размещенной с образованием зазора между выпуклой деталью и локальной областью защищаемой конструкции, а угол α между касательной к средней линии соединительного элемента виброшунта в месте контакта соединительного элемента с защищаемой конструкцией и касательной к линии пересечения наружной поверхности защищаемοй конструкции, с продольной плоскостью симметрии соедини тельного элемента виброшунта равен
80°>α>arctgC/C1,
где С - скорость продольной упругой волны в материале защищаемой конструкции,
С1 - скорость поперечной упругой волны в материале защищаемой конструкции;
при этом зоны закрепления и конструктив соединительного элемента виброшунта на защищаемой конструкции располагаются по оси, соединяющей источник вибраций, локальную область защищаемой конструкции, а ширина зоны закрепления соединительного элемента виброшунта должна быть не меньше ширины локальной области защищаемой конструкции.
2. Соединительный элемент виброшунт выполнен в виде выпуклой детали, размещенной с образованием зазора между выпуклой деталью и локальной областью защищаемой конструкции, а угол α между касательной к средней линии соединительного элемента с защищаемой конструкцией и касательной к линии пересечения наружной поверхности защищаемой конструкции, с продольной плоскостью симметрии соединительного элемента виброшунта, равен
800>α>arctg С/С1,
где С - скорость продольной упругой волны в материале защищаемой конструкции;
С1 - скорость поперечной упругой волны в материале защищаемой конструкции; при этом зоны закрепления и конструктив соединительного элемента виброшунта на защищаемой конструкции располагаются по оси, соединяющей источник вибраций, локальную область защищаемой конструкции, а ширина зоны закрепления соединительного элемента виброшунта должна быть не меньше ширины локальной области защищаемой конструкции, кроме того крепление соединительного элемента виброшунта к защищаемой конструкции в зонах закрепления выполнено сваркой со сплошным проваром шва.
Предлагаемое техническое решение представлено на рисунках 1-20. На рисунке 1 показан вид сбоку, на рисунке 2 показан вид сверху на виброшунт. На рисунках 3-20 представлены иллюстрации к обоснованию технического решения.
1. Снижение уровня вибраций защищаемой конструкции 1 в локальной области 2 обеспечивается за счет отвода энергии вибрации из этой области через соединительный элемент 3, в защищаемую конструкцию 1, причем соединительный элемент виброшунт 3 связывает две зоны 4 и 5 его закрепления на защищаемой конструкции 1 в окрестности локальной области 2 так, что первая зона 4 его закрепления находится между источником возбуждения вибрации 6 и локальной областью 2 защищаемой конструкции, а вторая зона 5 закрепления находится за локальной областью защищаемой конструкции на оси, соединяющей источник возбуждения вибрации 6 и локальную область 2 защищаемой конструкции, при этом соединительный элемент виброшунт 3, выполнен в виде выпуклой детали, размещенной с образованием зазора между выпуклой деталью и локальной областью 2 защищаемой конструкции 1, а угол α между касательной к средней линии соединительного элемента виброшунта 3 в месте контакта соединительного элемента виброшунта 3, с защищаемой конструкцией 1 и касательной к линии пересечения наружной поверхности защищаемой конструкции 1, с продольной плоскостью симметрии соединительного элемента виброшунта 3 равен
80°>α>arctg С/С1,
где С - скорость продольной упругой волны в материале защищаемой конструкции 1;
С1 - скорость поперечной упругой волны в материале защищаемой конструкции 1,
при этом зоны закрепления 4 и 5 и конструктив соединительного элемента виброшунта 3, на защищаемой конструкции 1 располагаются по оси, соединяющей источник вибраций 6, локальную область 2 защищаемой конструкции 1, а ширина зон закрепления 4 и 5 соединительного элемента виброшунта 3, должна быть не меньше ширины локальной области 2 защищаемой конструкции 1.
2. Соединительный элемент виброшунт 3 выполнен в виде выпуклой детали, размещенной с образованием зазора между выпуклой деталью и локальной областью 2 защищаемой конструкции 1, а угол α между касательной к средней линии соединительного элемента с защищаемой конструкцией 1 и касательной к линии пересечения наружной поверхности защищаемой конструкции 1, с продольной плоскостью симметрии соединительного элемен та виброшунта 3, равен
800>α>arctg С/С1,
где С - скорость продольной упругой волны в материале защищаемой конструкции 1,
С1 - скорость поперечной упругой волны в материале защищаемой конструкции 1; при этом зоны закрепления 4 и 5 и конструктив соединительного элемента виброшунта 3 на защищаемой конструкции 1 располагаются по оси, соединяющей источник вибраций 6, локальную область 2 защищаемой конструкции 1, а ширина зоны закрепления 4 и 5 соединительного элемента виброшунта 3 должна быть не меньше ширины локальной области 2 защищаемой конструкции 1, кроме того крепление соединительного элемента виброшунта 3, к защищаемой конструкции 1 в зонах закрепления 4 и 5 выполнено сваркой со сплошным проваром шва.
Устройство работает следующим образом.
В стенке трубопровода источником вибрации генерируются упругие волны. Достигая зоны закрепления 4, поток энергии, переносимой волнами разделяется на два потока: распространяющийся в локальную область 2 защищаемой конструкции 1 и в соединительный элемент виброшунт 3.
Уменьшенный поток энергии, распространяющийся в локальную область 2 защищаемой конструкции 1, вызывает вибрации меньшей интенсивности в этой области, по сравнению с условием, когда соединительный элемент виброшунт 3, отсутствует. Для обеспечения максимально полной передачи энергии, из стенки трубы в соединительный элемент виброшунт 3, соединительный элемент виброшунт 3 приваривается к трубе с полным проплавлением шва. Ширина зон закрепления 4 и 5 соединительного элемента виброшунта 3, должна быть не меньше ширины локальной области 2 защищаемой конструкции 1 для образования теневой зоны для области 2.
При подготовке основных положений предлагаемого технического решения автор руководствовался следующими положениями, которые закреплены в публикациях и патенте [3-8, 10]:
- движение твердых тел, в том числе, и вибрации являются следствием распространения в них упругих волн от источника, интерференцией генерируемых и отраженных от поверхностей тела волн, излучением энергии волн в окружающую среду и контактирующие тела.
Качественное описание работы этих принципов приводится ниже на примере трубопровода Ду600 с ответвлением Ду100. В начале участка магистрали Ду600 приложена периодическая сила, направленная вдоль стенки трубы. В результате действия периодической силы в материале трубы генерируются продольные упругие волны. В каждом узле кристаллической решетки материала трубы в месте приложения силы возникает продольное перемещение, которое в поперечном направлении передается на соседние узлы со скоростью распространения поперечной волны (рисунок 3). В результате возникает фронт волны, как показано на рисунке 4, который консолидировано является носителем силового воздействия волны и характеризуется вектором Сф [9], с которым обращаемся как с вектором, для которого применимы законы геометрической оптики. При отражении этого фронта от препятствия (в нашем случае, это отверстие с врезкой ответвления Ду100) он взаимодействует с другими аналогичными фронтами, которые появляются в связи с периодическим воздействием силы на трубопровод и в связи с наличием ранее отраженных волн от врезки и концов трубопровода. В результате, в теле трубы возникает интерференция волн, которая носит не только временной, но и «территориальный» характер. Поэтому наличие любого препятствия для распространения волн является фактором, усугубляющим вибрационное состояние объекта. Более того, распространение волн в препятствие (для нашего случая это- ответвление) может вызвать вибрации в этом элементе. К примеру, если ответвление используется для подключения приборов и не имеет опоры, то это может вызвать существенные вибрации в ответвлении.
Суть предлагаемого решения заключается в том, что генерируемые волны распределяются на 2 потока: первый распространяется так же, как и ранее, по телу трубы; второй, шунтирующий первый поток, распространяется через соединительный элемент виброшунт, который перекрывает, хотя бы в приповерхностном слое стенки трубы Ду600, распространение упругих волн в зону размещения ответвления. Поскольку силовое воздействие и перенос энергии связан с фазовой волной, то, размещая входную часть шунта нормально к фронту волны, мы забираем существенную часть энергии из тела трубы и переводим ее обратно в тело трубы, но уже за местом размещения ответвления. Соединительный элемент виброшунт выполняется в виде тела с плавными обводами, чтобы исключить любые интерференционные явления и формирование обратных волн в начало шунта, поскольку это может вызвать нежелательное воздействие волн на ответвление и на магистраль, а угол входа шунта в магистраль таков, что фронт волны, характеризующийся вектором фазовой скорости Сф, нормален к поверхностям стенок виброшунта (для стали угол α=61°, скорость С=5,85 км/с, С1=3,23 км/с, по железу [2]). При меньших углах наклона шунта на входе будет происходить рассеяние фронта и снижение эффективности шунта. При углах, больших 80°, передача энергии упругих волн будет осуществляться в локальную область 2 защищаемой конструкции 1 (см. рисунки 5-7) или нормальное падение фронта волны, что чревато интерференцией проходящих и отраженных волн, которая выразится в повышении уровня вибрации локально на выходе из шунта.
Ниже даны результаты расчетов вариантов шунта. Расчет выполнен в ПП ANSYS (Harmonic response). На горце участка трубы Ду600 с ответвлением Ду100 задается периодическая сила, равная 500 Η с частотой 50 Гц. Модель показана на рисунке 8. Результаты расчета напряжений показаны на рисунке 9 и в таблице 1.
В таблице 1 показаны значения уровня напряжений в магистрали и в ответвлении на 50 Гц, которые приняты за уровень для сравнения с предлагаемыми решениями.
На рисунках 10 и 11 показан шунт, размещенный на небольшом расстоянии от поверхности трубы и огибающий ответвление. Касательная, проведенная к средней линии соединительного элемента в месте пересечения с поверхностью трубы, имеет угол наклона к оси трубы, равный ~ 8°. Контур, из которого вращением вокруг оси магистрали формируется шунт, показан на рисунке 10 тонкой линией. В центральной части шунт и магистраль не контактируют: имеется зазор. Обратить внимание на то, что тело шунта перекрывает зону прохода упругих воли к врезке ответвления в магистраль и создает «тень».
На рисунке 12 и в таблице 2 показаны напряжения в отдельных точках конструкции (рисунки 10, 11).
Результат демонстрирует снижение уровня вибраций по сравнению уровнем вибраций в конструкции без шунта.
На рисунке 13 показана модель шунта с большим углом (~77°) наклона между касательной к средней линии соединительного элемента и осью магистрали. Контур, из которого вращением вокруг оси магистрали формируется шунт, показан тонкой линией. В центральной части шунт и магистраль не контактируют: имеется зазор.
На рисунке 14 и в таблице 3 приведены результаты расчета напряжений в материале конструкции (рисунок 13).
Оценка по среднему значению напряжений показывает двукратный эффект. На рисунке 15 показана модель шунта с еще большим углом наклона касательной. Контур, из которого вращением вокруг оси магистрали формируется шунт, показан тонкой линией. В центральной части шунт и магистраль не контактируют: имеется зазор.
На рисунке 16 и в таблице 4 показан уровень напряжений в магистрали и ответвлении конструкции (рисунок 15).
Далее показаны два примера, которые демонстрируют важность перекрытия пути распространения упругих волн от источника вибраций до локальной точки, где необходимо снизить уровень вибраций (в данном случае, это врезка ответвления в магистраль). На рисунке 17 показан шунт с перекрытием зоны. На рисунке 18 и в таблице 5 - уровень напряжений в конструкции.
На рисунке 19 показана расчетная модель шунта без перекрытия, на рисунке 20 и таблице 6 даны результаты расчета напряжений для такой конструкции.
Сравнение средних замеренных значений напряжений показывает увеличение напряжений на величину примерно 40% в случае, если зона распространения волн к ответвлению не перекрыта.
Библиография
1. Вибрации в технике: Справочник. В 6 т. - М.: Машиностроение, 1981. - Т.6. Защита от вибраций и ударов.
2. Физические величины: Справочние / Л,Π, Бабичев, Н.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под ред. И.С. Гризорьева, Е.З. Мейлихова. - М.; Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.
3. Исследование многослойных виброзащитных облицовок. Ереван, 1988. Тезисы доклада на конференции «Молодежь и научно-технический прогресс в машиностроении».
4. «Об учете волновых эффектов при проектировании двигателей внутреннего сгорания». Москва, 1988, тезисы доклада на совещании «Динамика и прочность автомобилей».
5. «Волновые процессы в деталях двигателя внутреннего сгорания». Москва 1990. Тезисы доклада на Четвертом Всесоюзном научно-техническом совещании «Динамика и прочность автомобиля».
6. «Учет волновых эффектов при разработке двигателей внутреннего сгорания». Москва. 1990. Тезисы докладов на XIII Всесоюзном совещании по проблемам прочности двигателей.
7. «Трение как процесс излучения энергии упругих волн через поверхность контакта». Киев. 1990. Тезисы докладов на конференции «Структура, самоорганизация и оптимизация триботехнических характеристик конструкционных и инструментальных материалов».
8. Зондовая цилиндропоршневая группа. А.С. СССР №5215. Бюлл №10 от 16.10.1997.
9. Введение в физическую акустику. Красильников В.Α., Крылов В.В. М.: Наука, 1984.
10. Отчет о научно-исследовательской работе. Разработка, машинный анализ и создание механического привода газовых криогенных машин, средств виброгашения, виброзащита и виброизоляция. Уравновешивание и виброзащита газовых криогенных машин. Том II. Тема 754/176. Этапы 13-15. Омск, 1989.