Способ снижения вибраций и устройство для его реализации - виброшунт-виброгаситель
METHOD FOR REDUCING VIBRATIONS AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION - VIBROSHUNT -VIBRATIONER

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.
Известны также компенсаторы, которые помимо основной функции-компенсации теплового расширения трубопровода, частично устраняют вибрации, наводимые в тело трубопровода от корпуса насоса или компрессора, которые возникают в результате сопротивления рабочей среды сжатию в процессе работы указанных выше машин. Поршень поршневой машины, например, преодолевая сопротивление рабочей среды, передает реактивную нагрузку через цилиндро-поршневую группу, коленчатый вал и подшипники вала на корпус машины, а затем через фланцевые соединения в тело трубопровода. Развязка фланцев машины и трубопровода с использованием сильфонных или других компенсаторов частично снижает уровень вибраций трубопровода после компенсатора. Например, фирма TECOFI (Франция) предлагает сильфонные компенсаторы. Конструкция предусматривает разрыв трубопровода и соединение разорванных участков стальным сильфоном, тем самым, передача энергии вибраций по телу трубопровода производится через сильфон, который интенсивно рассеивает энергию. Однако недостатком такой конструкции является ограниченное применение данного решения по давлению (~2,5 МПа).
Известно также решение (Способ снижения вибраций и устройство для его реализации - виброшунт по заявке №2020114950 от 16.04.2020), в котором трубопровод защищается от воздействия вибраций в локальной области путем перевода энергии колебаний из одной части трубопровода в другую, минуя локальную зону с применением выпуклой соединительной 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 защищаемой конструкции, с продольной плоскостью симметрии соединительного элемента виброшунта, равен
80°>α>arctg C/C1,
где С - скорость продольной упругой волны в материале защищаемой конструкции;
С1 - скорость поперечной упругой волны в материале защищаемой конструкции.
Однако отсечка трубопровода от корпуса насоса или компрессора и снижение уровня вибраций в трубопроводе таким устройством не осуществляется. Наоборот, энергия колебаний корпуса компрессора или насоса беспрепятственно распространяется по трубопроводу.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение вибраций в защищаемых от вибрации конструкциях трубопроводов без отвода энергии колебаний в конструкции, принимающие на себя энергию колебаний, в том числе, несущие конструкции без кольцевых разрывов в теле трубопровода.
1. Указанный технический результат достигается применением способа, в котором трубопровод защищается от воздействия вибраций путем перевода энергии колебаний из одной части трубопровода в выпуклую соединительную деталь - виброшунт-виброгаситель, размещенную с образованием зазора между выпуклой соединительной деталью - виброшунтом-виброгасителем и локальной областью трубопровода и соединенную с трубопроводом сваркой со сплошным проваром шва, а угол α между касательной к средней линии виброшунта-виброгасителя в месте контакта виброшунта-виброгасителя и касательной к линии пересечения наружной поверхности трубопровода, с продольной плоскостью симметрии виброшунта-виброгасителя, равен
80°>α>arctg C/C1,
где С - скорость продольной упругой волны в материале трубопровода;
С1 - скорость поперечной упругой волны в материале трубопровода, отличающиеся тем, что виброшунт-виброгаситель выполнен в виде замкнутой оболочки, охватывающей локальную область трубопровода, и снабженной энергопоглощающим элементом.
2. Способ и устройство по п. 1, отличающиеся тем, что энергопоглощающий элемент выполнен в виде цилиндрической оболочки, соединяющей элементы виброшунта-виброгасителя, примыкающие к стенке защищаемого трубопровода, при этом, в теле цилиндрической оболочки выполнены винтовые пазы с осью винтовой поверхности, совпадающей с продольной осью компенсатора.
3. Способ и устройство по пп. 1, 2, отличающиеся тем, что один винтовой паз прямоугольного сечения выполнен на наружной поверхности цилиндрической оболочки с таким шагом и шириной, чтобы на цилиндрической поверхности виброшунта-виброгасителя было выполнено максимальное количество витков с минимальной толщиной.
Предлагаемое техническое решение представлено на рисунках 1-15. На рисунке 1 показан общий вид компенсатора высокого давления, на рисунке 2 -детальный вид винтового паза, на рисунке 3 - разрез конструкции. Рисунки 4-15 поясняют принцип работы устройства и подтверждают его эффективность.
1. Снижение уровня вибраций трубопровода 1, соединенного с корпусом компрессора, насоса или иной технологической машины, достигается применением способа, в котором трубопровод 1 защищается от воздействия вибраций путем перевода энергии колебаний из одной части 2 трубопровода 1 в выпуклую соединительную деталь - виброшунт-виброгаситель 3, размещенный с образованием зазора между виброшунтом-виброгасителем 3 и локальной областью 4 трубопровода 1 и соединенный с трубопроводом 1 сваркой со сплошным проваром шва, а угол α между касательной к средней линии виброшунта-виброгасителя 3 в месте контакта виброшунта-виброгасителя 3 и касательной к линии пересечения наружной поверхности трубопровода 3, с продольной плоскостью симметрии виброшунта-виброгасителя 3, равен
80°>α>arctg C/C1,
где С - скорость продольной упругой волны в материале трубопровода;
C1 - скорость поперечной упругой волны в материале трубопровода, отличающиеся тем, что виброшунт-виброгаситель 3 выполнен в виде замкнутой оболочки, охватывающей локальную область 4 трубопровода 1, и снабжена энергопоглощающим элементом 5.
2. Способ и устройство по п. 1, отличающиеся тем, что энергопоглощающий элемент 5 выполнен в виде цилиндрической оболочки 6, соединяющей элементы 7 и 8 виброшунта-виброгасителя 3, примыкающие к стенке защищаемого трубопровода 1, при этом в теле цилиндрической оболочки 6 выполнены винтовые пазы 9 с осью винтовой поверхности, совпадающей с продольной осью виброшунта-виброгасителя 3.
3. Способ и устройство по пп, 1,2, отличающиеся тем, что один винтовой паз 9 прямоугольного сечения выполнен на наружной поверхности цилиндрической оболочки 6 с таким шагом и шириной, чтобы на цилиндрической поверхности 6 виброшунта-виброгасителя 3 было выполнено максимальное количество витков с минимальной толщиной.
Устройство работает следующим образом.
В результате взаимодействия рабочей среды и элементов конструкции технологической машины (компрессора, насоса и т.п.) на корпусе машины 1 возникают вибрации, которые через фланцевое соединение передаются на трубопровод 1 в часть 2 трубопровода 1, а затем энергия колебаний распределяется между стенкой трубопровода 1 и виброшунта-виброгасителя 3, выполненной в виде замкнутой оболочки с энергопоглощающим элементом 5, охватывающей локальную область 4 трубопровода 1. Та часть энергии вибраций, которая поступает в виброшунт-виброгаситель 3, отбирается энергопоглощающим устройством 5 и исключается из потока энергии колебаний, распространяющейся после компенсатора высокого давления 3. Тем самым снижается уровень вибраций трубопровода 1.
Исполнение энергопоглощающего элемента 5 осуществляется в виде винтового паза 9 прямоугольного сечения. Упругие волны из стенки трубопровода 1 поступают в элемент 7 виброшунта-виброгасителя 3. Выступающие витки энергопоглощающего элемента 5, расположенные между витками винтового паза 9, являются волноводом для упругих волн, которые распространяются в них с падением на границы витков с окружающей средой и отражаются от этих границ, при падении осуществляется излучение энергии упругих волн в окружающую среду. Происходит рассеяние части энергии волн, которая уже не участвует в формировании напряженно-деформированного состояния трубопровода 1. Чем тоньше виток и меньше шаг, тем чаше будут происходить акты излучения/рассеяния энергии, тем интенсивнее будет происходить процесс рассеяния энергии, тем ниже будет уровень вибраций трубопровода 1.
При подготовке основных положений предлагаемого технического решения авторы руководствовались следующими положениями, которые закреплены в публикациях и патентах [3-8, 10,11]:
- 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 Ду250, который находится под давлением 1 МПа и опирается на опоры скольжения, в конце участка трубопровода выполнена неподвижная опора. В начале участка магистрали Ду250 приложена периодическая сила равная 1500 Н, 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. В результате возникает фронт волны, как показано на рисунках 4 и 5, который консолидированно является носителем силового воздействия волны и характеризуется вектором Сф [9], с которым обращаемся как вектором, для которого применимы законы геометрической оптики. При отражении этого фронта от препятствия 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 элементов конструкции трубопровода и концов трубопровода. В результате, в теле трубы возникает интерференция волн, которая носит не только временной, но и «территориальный» характер.
Суть предлагаемого решения заключается в том, генерируемые волны распределяются на 2 потока: первый распространяется так же, как и ранее, по телу трубы; второй, шунтирующий первый поток, - по выпуклому элементу, который перекрывает, хотя бы в приповерхностном слое стенки трубы Ду250. распространение упругих волн по стенке трубопровода. Поскольку силовое воздействие и перенос энергии связан с фазовой волной, то, размещая входную часть - элемент 7 компенсатора высокого давления 3 нормально к фронту волны (рисунок 6), мы забираем существенную часть энергии из тела трубы 1 и рассеиваем ее в выпуклом элементе виброшунта-виброгасителя 3. Входная часть - элемент 7 виброшунта-виброгасителя 3 выполняется в виде тела с плавными обводами, чтобы исключить любые интерференционные явления и формирование обратных волн в начало виброшунта-виброгасителя 3, поскольку это может вызвать нежелательное воздействие волн на магистраль, а угол входа шунта в магистраль таков, что фронт волны, характеризующийся вектором фазовой скорости Сф, параллелен (то есть распространяется свободно, с минимальным количеством отражений от стенок элемента 7) к поверхностям стенок шунта (для стали угол α = 61°, скорость С = 5,85 км/с, С1 = 3,23 км/с, по железу [2]). Наличие винтовой нарезки 9 на цилиндрической оболочке 6 виброшунта-виброгасителя 3 позволяет увеличивать число падений волн на поверхности компенсатора, а значит и число излучений энергии в окружающую среду, то есть рассеивание энергии колебаний трубы. При этом винтовая нарезка позволяет плавно выводить энергию из компенсатора. В случае кольцевой нарезки на цилиндрической поверхности компенсатора излучение / рассеивание энергии в окружающей среде также будет иметь место, однако, это приведет к росту напряжений в теле компенсатора из-за интерференции волн проходящих в тело компенсатора и отраженных от его поверхностей.
Для подтверждения указанных выше положений приведем расчеты трубопровода без виброшунта-виброгасителя и с виброшунтами-виброгасителями разного конструктивного исполнения.
На рисунке 7 показана расчетная модель трубы, которая подвержена действию силы амплитудой в 1500 Н. На рисунке 8 показана картина уровня напряжений в теле трубы для различных частот действия периодической силы с амплитудой 1500 Н. Максимальное напряжение проявляется на частоте 40 Гц и составляет 5,40×105 Па. В расчет введено демпфирование, которое снимает импульсные напряжения со значениями амплитуд порядка 106-108 МПа.
На рисунке 9 показан виброшунт-виброгаситель с произвольным углом зоны захода упругих волн в тело виброшунта-виброгасителя. На рисунке 10 показана картина напряжений в материале конструкции в зависимости от частоты. Уровень напряжений снизился более, чем в 2 раза.
На рисунке 11 показан виброшунт-виброгаситель с оптимальным углом зоны захода упругих волн в тело виброшунта-виброгасителя. На рисунке 12 показана картина напряжений в материале конструкции в зависимости от частоты. Уровень напряжений снизился примерно на 15%. Максимальное напряжение проявляется на частоте около 30 Гц и составляет 1,81×105 Па.
На рисунках 13, 14 показан виброшунт-виброгаситель с оптимальным углом зоны захода упругих волн в тело заявляемого виброшунта-виброгасителя с винтовой нарезкой. На рисунке 1 5 показана картина напряжений в материале конструкции в зависимости от частоты. Уровень напряжений составил 24319 Па на частоте около 180 Гц, то есть, снижение уровня напряжений - более чем в 7 раз.
Указанные результаты показывают существенный эффект от применения виброшунта-виброгасителя заявляемой конструкции. При этом не нарушается целостность трубопровода, как это имеет место в традиционных сильфонных компенсаторах, поэтому устройство работает при любом давлении в трубопроводе в качестве устройства снижения вибраций.
Библиография
1. Вибрации в технике: Справочник. В 6 т. - М: Машиностроение. 1981. - Т.6. Защита от вибраций и ударов;
2. Физические величины: Справочник/А.П. 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. Бюл. №10 от 16.10.1997;
9. Введение в физическую акустику. Красильников В.А., 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.