ГРЕБНОЙ ВАЛ С НИЗКОЧАСТОТНЫМ ВИБРОГАШЕНИЕМ
PROPELLER SHAFT WITH LOW-FREQUENCY VIBRATION DAMPING

Изобретение относится к области борьбы с низкочастотными резонансными колебаниями гребного вала (валопровода) судна, вызывающими динамические усилия, действие которых на корпусные конструкции судна приводит к возникновению их интенсивной вибрации и шумоизлучения.
Низкочастотное виброгашение гребного вала уменьшает вибрации и шум в помещениях судна и в окружающих его средах, а также увеличивает долговечность вала при его резонансных колебаниях под действием пульсаций крутящего и изгибающего моментов со стороны движителя и главного двигателя судна.
Снижение уровней вибрации и шумоизлучения корпусных конструкций судов на низких резонансных частотах колебаний гребного вала осуществляют преимущественно путем виброизоляции вала с подшипниками и гребным винтом от корпуса судна (см., например, описание изобретения к патенту RU 2579372 С2, авторы Кузнецов Н.А., Попков С.В., Рылеева Т.В., Самойлов А.О.; бюл. №10 от 10.04.2016 г.). Для увеличения долговечности гребного вала в его конструкцию включают обечайку, внутри которой равномерно расположены по окружности металлические тросы (см., например, описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1710440 А1, авторы Тарабрин А.И., Чередниченко А.К.; бюл. №5 от 07.02.1992 г.).
Устройства и способы, обеспечивающие виброгашение гребного вала судов, немногочисленны. Известен способ виброгашения гребного вала путем заполнения его внутреннего объема сыпучим материалом (песок, чугунная дробь и т.п.). Способ описан в справочнике Никифорова А.С. "Акустическое проектирование судовых конструкций" (см. § 6.3.3 Сыпучие вибропоглощающие материалы, стр. 168-169. Издательство "Судостроение", Ленинград, 1990 г.). Способ не нашел практического применения в силу отсутствия эффективности на низких резонансных частотах изгибных колебаний гребных валов, на которых их вибрации являются наиболее опасными в плане ухудшения акустических характеристик судов.
Небольшой виброгасящий эффект на высоких частотах имеют гребные валы с облицовкой в месте расположения опор (см., например, узел соединения облицовки с гребным валом по описанию изобретения к авторскому свидетельству SU 1528683 А1, авторы Набоков В.В., Павлов А.В., Нестеров В.Г.; бюл. №46 от 15.12.1989 г.), основным техническим результатом которых является повышение эксплуатационной надежности облицовки с гребным валом.
Известно, что виброгашение гребного вала может быть достигнуто его изготовлением из композитных материалов (см., например, описание изобретения к патенту RU 2086466 С1, авторы Черниченко В.А., Разин А.Ф., Захаревич Л.П. и др.; опубликовано 10.08.1997 г.). Однако эффективность соответствующего способа виброгашения, особенно низкочастотных колебаний гребного вала, практически отсутствует, так как современные композитные материалы, применение которых обеспечит выполнение требований прочности гребного вала, имеют на указанных частотах малые потери колебательной энергии, соизмеримые с потерями энергии в традиционных металлических валах.
Известен также гребной вал с узлом соединения облицовки имеющий патенту RU 2086466 С1 имеет кольцевые радиальные выступы (прототип).
Однако известный гребной вал с кольцевыми радиальными выступами, не обладает возможностью эффективного низкочастотного виброгашения.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение эффективного виброгашения низкочастотных резонансных колебаний гребного вала.
Указанная задача решается благодаря тому, что гребной вал содержащий расположенные на нем по его длине кольцевые радиальные выступы по изобретению оснащен металлическими или пластмассовыми полосами прямоугольной формы в плане, причем кольцевые радиальные выступы выполнены в форме одинакового правильного многогранника. К граням каждой соседней пары указанных выступов прикреплены по коротким кромкам упомянутые полосы прямоугольной формы, а их длинные кромки ориентированы вдоль оси гребного вала, и облицовка полос по одной или обеим поверхностям облицованы армированным вибропоглощающим покрытием позволяет обеспечить виброгашение гребного вала. Выбор параметров полос из условия равенства их низшей резонансной частоты изгибных колебаний одной из низших резонансных частот изгибных колебаний гребного вала, и общей массы упомянутых полос, составляющей не менее одного процента массы гребного вала, обеспечивает эффективное низкочастотное виброгашение гребного вала.
Крепление коротких кромок металлических или пластмассовых полос к граням каждой соседней пары кольцевых радиальных выступов, которое осуществлено с использованием механического или клеевого крепления, или механического совместно с клеевым, способствует достижению эффективного низкочастотного виброгашения гребного вала и обеспечивает надежность крепления к нему металлических или пластмассовых полос.
Использование полимерная пленка в качестве вязкоупругого материала армированного вибропоглощающего покрытия полос обеспечивает повышение эффективности низкочастотного виброгашения гребного вала и способствует уменьшению массы покрытия.
Использование в качестве полимерной пленки на основе поливинилацетата способствует достижению наибольшей эффективности низкочастотного виброгашения гребного вала..
Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими рисунками, где на фиг. 1 представлено осевое поперечное сечение участка гребного вала со средствами низкочастотного виброгашения, на фиг. 2 изображено окружное поперечное сечение гребного вала с видом вдоль его оси на кольцевой радиальной выступ в форме правильного восьмигранника (число граней может быть другим), а на фиг. 3 приведено поперечное сечение полосы с армированным вибропоглощающим покрытием.
Участок гребного вала 1 с соседними выступами 2 (фиг. 1), выполненными в форме одинакового правильного восьмигранника (фиг. 2), содержит металлические или пластмассовые полосы 3, закрепленные своими короткими кромками на гранях соседних выступов. Одна из сторон полос 3 облицована армированным вибропоглощающим покрытием 4, 5, состоящим из слоя вязкоупругого материала 4 и металлического или пластмассового армирующего покрытия (слоя) 5 (фиг. 3).
Виброгашение низкочастотных резонансных колебаний предлагаемого гребного вала осуществляется следующим образом.
Действие на вращающийся гребной вал 1 пульсаций крутящего и изгибающего моментов со стороны движителей и главного двигателя судна (на рисунке не показано) приводит к низкочастотным резонансным колебаниям гребного вала 1. Вибрационная энергия, введенная движителем и главным двигателем в гребной вал 1 на его низкочастотных резонансных колебаниях, оттекает через его кольцевые радиальные выступы 2, выполненные в форме одинакового правильного многогранника (фиг. 2). С кромок коротких полос 3, закрепленных на гранях соседних выступов, вибрационная энергия в виде изгибных колебаний распространяется вдоль их длинных кромок и поглощается при этом в установленном на полосах 3 армированным вибропоглощающем покрытии 4, 5 (фиг. 1, 3). Наибольшее поглощение (за счет преобразования в тепло) поступившей в полосы 3 энергии происходит на низшей резонансной частоте их изгибных колебаний, когда она совпадает с выбранной для виброгашения низкой частотой резонансных колебаний гребного вала 1. Эффективное виброгашение гребного вала 1 на его низкочастотных резонансных колебаниях при одновременном уменьшении массы армированного покрытия 4, 5 на полосах 3 обеспечивает применение в качестве вязкоупругого материала полимерной пленки 4. Наибольшая эффективность низкочастотного виброгашения гребного вала 1 достигается при использовании полимерной пленки 4 на основе поливинилацетата - "рекордсмена" среди существующих материалов по вибропоглощению.
-3
Измерения эффективности предлагаемого технического решения выполнялись с использованием макета гребного вала, представляющего собой полую стальную трубу длиной 1,7 м и толщиной 4⋅10 м с наружным диаметром 0,053 м. К одному из фланцев на торце трубы были закреплены два одинаковых стальных диска, имитировавших массовый макет гребного винта. Труба устанавливалась на деревянные кильблоки. Один из них располагался в среднем, по распределению массы трубы с макетом гребного винта, сечении, другой - у торца, противоположного макету. Крепление трубы к кильблокам выполнялось с помощью стальных лент и болтовых соединений.
-3
Низшая резонансная частота изгибных колебаний макета гребного вала составила 138 Гц. (Для натурного гребного вала около 14 Гц). Размеры (0,24×0,03×1,5⋅10 м) стальных полос предлагаемого устройства выбирались с учетом обеспечения равенства низшей резонансной частоты их изгибных колебаний указанной низшей резонансной частоте изгибных колебаний макета гребного вала. В качестве диссипативного слоя армированного вибропоглощающего покрытия использовалась полимерная пленка типа ВПС-2,5 на основе поливинилацетата толщиной 0,5 мм. Армирующий слой выполнялся из стальной полосы с той же толщиной. Эффективность шести стальных полос с массой μ=4,8% от массы макета гребного вала составила 16 дБ.
Под эффективностью, как известно, понимается снижение полосами уровней вибрации макета гребного вала, создаваемой одинаковой по величине поперечной динамической силой, прикладываемой к макету гребного винта при отсутствии и наличии на гребном вале средств виброгашения.
Предлагаемый гребной вал с низкочастотным виброгашением, согласно результатам испытаний, имеет эффективность, составляющую при относительной массе размещенных на нем средств виброгашения примерно 1% от массы гребного вала, не меньшую, чем 6 дБ.