Экспериментальная установка для исследования поперечных и продольных колебаний валопроводов судов

УДК 629.12.037.4.004.6.

ББК 39.455.86-045-082.04

А. А. Халявкин, М. П. Комаров, В. А. Мамонтов, А. Х. Саламех

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ И ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДОВ СУДОВ

A. A. Khalyavkin, M. P. Komarov, V. А. Mamontov, A. H. Salamekh

EXPERIMENTAL PLANT FOR RESEARCH OF CROSS-SECTION AND LONGITUDINAL OSCILLATIONS OF MARINE SHAFT LINES

Описана конструкция и принцип действия экспериментальной установки для исследования поперечных и продольных колебания валопроводов судов. Установка позволяет оценить влияние длины, жесткость и величину износа дейдвудных подшипников на эксплуатационные характеристики валопроводов судов.

Ключевые слова: экспериментальная установка, поперечные и продольные колебания, износ дейдвудных подшипников.

The design and the operating method of experimental plant for research of cross-section and longitudinal oscillations of marine shaft lines are described. The experimental plant allows estimating influence of length, rigidity and size of wear and tear of stern bearings on shaft line operational characteristics.

Key words: experimental plant, cross-section and longitudinal oscillations, wear and tear of stern bearings.

Валопровод является частью двигательно-движительной системы судна. Он предназначен для передачи крутящего момента от двигателя к винту и восприятия осевого усилия, возникающего при его работе. Так как валопровод работает в сложных динамических условиях, в процессе его проектирования обязательно проводят расчет на крутильные и поперечные колебания для упреждения его резонансного состояния. Работа валопровода в резонансном состоянии недопустима.

Исследование поперечных колебаний валопроводов судов остаётся актуальной проблемой судостроения. Об этом свидетельствует большое количество опубликованных работ, в которых предлагаются новые методы и расчетные схемы определения собственных частот, рассматриваются основные факторы и причины появления поперечных колебания и их влияние на работоспособность валопровода.

В [1, 2] предлагается в процессе расчета учитывать реальную длину и жёсткость дейдвуд-ного подшипника. Это позволяет в дальнейшем учитывать влияние отрыва вала от дейдвудного подшипника, что, в свою очередь, приводит к периодическому изменению параметров системы. Таким образом, в системе валопровода, помимо чисто механических, возможно развитие так называемых параметрических колебаний [3]. Предлагается также учитывать износ опорной поверхности кормового дейдвудного подшипника, способствующий возникновению поперечных колебаний валопроводов судов (рис. 1). В свою очередь, в процессе износа уменьшается длина контакта гребного вала с дейдвудным подшипником, что может привести к быстрому резонансному состоянию валопровода. Работа в резонансном состоянии ускоряется процесс износа дейдвудного подшипника, следствием чего может стать поломка не только валопровода, но и всей двигательно-движительной системы судна в целом.

Рис. 1. Изгиб гребного вала в процессе колебаний: 1 - дейдвудные подшипники; 2 - гребной вал

Для изучения поперечных колебаний судовых валопроводов была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка (рис. 2).

Установка представляет собой металлическую раму 3. На раме устанавливаются опоры 2, на них, в свою очередь, опирается балка 1 с диском 4, которые моделируют вал с винтом. Опоры, благодаря простоте конструкции, могут изменять свою длину и высоту. Известно, что собственная частота поперечных колебаний стержней зависит от момента инерции сечения и не зависит от его формы. В связи с этим с целью упрощения учета взаимодействия стержня с опорой (особенно при моделировании изнашивания опоры) сечение стержня принято прямоугольным, хотя на экспериментальной установке можно рассматривать колебания балки и круглого сечения.

Помимо опор на раме расположен силовой механизм, представляющий собой асинхронный двигатель, на валу которого установлен кулачок с эксцентриситетом 20 мм. В силовой механизм входит коромысло 7 с передвижной опорой 10, пружина 8 и нажимное устройство 9, на конце которого установлен подшипник. Экспериментальная установка расположена на десяти виброопорах.

Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки:

1 - балка прямоугольного сечения; 2 - опоры; 3 - рама; 4 - диск; 5 - асинхронный двигатель;

6 - кулачок; 7 - коромысло; 8 - пружина; 9 - нажимное устройство; 10 - опоры; 11 - направляющие;

12 - преобразователь частот

Принцип работы экспериментальной установки состоит в следующем. При вращении асинхронного двигателя 5 кулачок 6, через коромысло 7, сжимает пружину 8, которая служит для создания возвратно-поступательного движения. В результате через нажимное устройство 9 на диск 4, который устанавливается на конце балки 1, передается переменная по величине сила

F = Fo + Fa,

где F0 - постоянная составляющая силы; Fa - периодическая переменная составляющая силы, закон изменения которой близок к синусоидальному.

Величины F0 и Fa устанавливаются в зависимости от режима испытания. Частота изменения возбуждающей нагрузки регулируется изменением скорости вращения вала асинхронного двигателя, осуществляемым преобразователем частот 12.

При изменении расположения опоры 10 коромысла, которая перемещается по направляющим 11 , изменяется нагрузка, действующая на диск 4.

Так как точка приложения силы F смещена относительно оси балки 1 на величину І (І -расстояние от оси балки 1 до точки действия усилия К), то на балку, помимо продольной силы F, действует переменный изгибающий момент (рис. 3).

Частота действия переменной силы и переменного гидродинамического момента также регулируется преобразователем частот и перемещением опоры 10 коромысла.

В зависимости от задачи исследования можно изменять количество опор, которые, в свою очередь, могут менять своё положение, перемещаясь по раме 3.

Для измерения амплитуды колеблющейся балки 2 на раме 3 установлены ёмкостные датчики.

В процессе проведения эксперимента можно менять параметры колеблющейся балки 2, диска 4 и частоту возмущающей силы, что позволяет использовать установку для решения широкого круга задач. Благодаря конструкции экспериментальной установки на ней можно изучать не только поперечные, но и продольные и продольно-поперечные колебания.

1. Абрамович С. Ф., Меркулов В. А. Уточнение метода расчета изгибных колебаний судовых вало-проводов // Судостроение. - 1977. - № 1. - С. 35-39.

2. Миронов А. И., Денисова Л. М. Метод оценки собственных частот валопровода судов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Морская техника и технологии. - 2000. - С. 44-49.

3. Миронов А. И., Халявкин А. А. О возможности возникновения параметрических колебаний в системе валопровода // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2010. -

2

Рис. 3. Общий вид действия усилия нажимного устройства на диск:

1 - балка; 2 - диск, моделирующий винт судна; 3 - нажимное устройство

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

№ 1. - С. 131-135.

Статья поступила в редакцию 16.07.2012

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Халявкин Алексей Александрович - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Технология металлов»; sopromat112@mail.ru.

Khalyavkin Alexey Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Metal Technology"; sopromat112@mail.ru.

Комаров Михаил Петрович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Математика в инженерном образовании»; sopromat112@mail.ru.

Komarov Mikhail Petrovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Mathematics in Engineering Education"; sopro-mat112@mail.ru.

Мамонтов Виктор Андреевич - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Технология металлов»; sopromat112@mail.ru.

Mamontov Victor Andreevich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Professor; Head of the Department "Metal Technology"; sopromat112@mail.ru.

Саламех Али Хасанович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры «Технология металлов»; sopromat112@mail.ru.

Salamekh Ali Hasanovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department "Metal Technology"; sopromat112@mail.ru.