МАЛОМЕРНОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ СУДНО

Полезная модель относится к области судостроения, в частности к конструкции маломерных экспериментальных судов, предназначенных для проведения экспериментальных и научно-исследовательских работ по исследованию продольных, поперечных и крутильных колебаний системы валопровода.
Известно устройство - установка для исследования продольных, поперечных и крутильных колебаний системы валопроводов судов, содержащая раму и опоры, асинхронный двигатель, протяженную опору с корпусом и вкладышем, диск, вал, установленный на опорах, нагрузочный узел в виде постоянного магнита, установленный и закрепленный на верхней подвижной части опоры, нижняя часть которой жестко фиксирована на раме, металлический диск из парамагнитной стали с втулкой из ферромагнитной стали, установленный на конце вала (патент RU №156856, 2015 г.). Данное устройство имеет ряд недостатков, не позволяющих в полной мере исследовать колебания систем вращающихся валов, а именно невозможность проведения исследований колебаний вала на нескольких опорах, невозможность создания колебаний крутящего момента, создаваемых силами давления газов на поршни рабочих цилиндров двигателя и прочие.
Наиболее близким по технической сути и совокупности признаков является стенд для испытаний моделей судового валопровода, содержащий электродвигатель постоянного тока, кривошипно-шатунный механизм, гребной, промежуточный и упорный валы, гребной винт со съемными лопастями и вибраторы. Гребной винт связан с коленчатым валом посредством гребного, промежуточного и упорного валов. Все валы размещаются на подвижных опорах скольжения, динамические свойства которых можно задавать в соответствии с задачей исследования. Опоры можно передвигать вдоль оси валопровода. Валы съемные и самоцентрирующиеся, в качестве упорного подшипника установлен радиально-шариковый подшипник, заключенный в массивный корпус (патент RU №2972, 1995 г.). Недостатком данной конструкции являются повышенная сложность в постановке и проведении экспериментальных исследований, высокая стоимость, а также невозможность проведений исследований в условиях реальной эксплуатации с учетом действующих гидродинамических нагрузок, создаваемых гребным винтом.
Техническая задача - создание маломерного судна для исследований продольных, поперечных и крутильных колебаний системы валопровода, позволяющей расширить диапазон исследований на открытой воде и получить массив экспериментальных данных для дальнейшей обработки.
Технический результат - повышение эффективности устройства при его использовании.
Он достигается тем, что в известном устройстве, содержащем гребной, промежуточный и упорный валы, гребной винт со съемными лопастями, гребной винт связан с коленчатым валом посредством гребного, промежуточного и упорного вала, валы размещаются на подвижных опорах скольжения, динамические свойства которых можно задавать в соответствии с задачей исследования, опоры можно передвигать вдоль оси валопровода, валы съемные и самоцентрирующиеся, в качестве упорного подшипника установлен радиально-шариковый подшипник, заключенный в массивный корпус, дополнительно имеет стационарный поршневой двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение валопровод через клиноременную передачу, в носовой части гребного вала размещена измерительная аппаратура, все элементы устройства жестко фиксированы на опорной поверхности днища судна, при этом корпус судна выполнен водонепроницаемым из высокопрочного алюминиевого сплава.
Использование в конструкции устройства поршневого двигателя внутреннего сгорания позволяет обеспечить проведение экспериментов без использования внешнего подвода энергии для вращения валопровода, а также имитировать различные частоты и амплитуды колебаний крутящего момента на валопроводе, создаваемых силами давления газов на поршни рабочих цилиндров.
Система из гребного, промежуточного и упорного валов приводится во вращение при помощи клиноременной передачи с возможностью быстрой смены шкивов, что, в совокупности с гребным винтом со съемными лопастями, позволяет проводить исследования в большем диапазоне рабочих частот вращения валопровода, а также варьировать величину создаваемого гребным винтом упора.
Выполнение гребного вала с открытой частью позволяет разместить на его поверхности различные датчики и аппаратуру для регистрации и измерений колебаний, а также передачи экспериментальных данных с вращающегося вала на стационарный приемник. Конструкция дополнительно позволяет произвести замену дейдвудных подшипников и лопастей гребного винта в сокращенные сроки при подъеме оконечности корпуса.
Размещение всех элементов стенда внутри корпуса маломерного судна упрощает постановку и проведение экспериментальных исследований, повышает точность и валидность получаемых данных, а также позволяет проводить многофакторные экспериментальные исследования валопровода в условиях эксплуатации с учетом реальных гидродинамических нагрузок, создаваемых гребным винтом.
На чертеже изображено предлагаемое судно для исследования продольных, поперечных и крутильных колебаний системы валопровода, а также фрагменты получаемых при помощи устройства экспериментальных данных (Фиг. 1 - общий вид, Фиг. 2 - осциллограммы колебаний валопровода, Фиг. 3 - показания акселерометра).
Устройство содержит корпус 1, внутри которого закреплен поршневой двигатель внутреннего сгорания 2, приводящий в движение систему валопровода через клиноременную передачу 3. Система валопровода состоит из упорного вала 4, промежуточного вала 5 и гребного вала 6, соединенных фланцами 7. Промежуточный вал 5 и гребной вал 6 размещены на подвижных опорах скольжения 8. Опоры промежуточного вала могут перемещаться и быть закрепленными на фундаменте 9, а опоры гребного вала расположены в дейдвудной трубе 10. На кормовом конце гребного вала 6 закреплен гребной винт 11, упор от которого передается на упорный подшипник 12. В носовой части гребного вала 6 размещена измерительная аппаратура 13. Водонепроницаемость корпуса обеспечивается уплотнениями 14, закрепленными на концах дейдвудной трубы. В кормовой части корпуса закреплено рулевое устройство 15.
Устройство работает следующим образом. Судно для проведения экспериментальных исследований спускается на воду при помощи крана или специальных тележек с кильблоками. В носовой части гребного вала закрепляется измерительная аппаратура - тензорезисторы с аналогово-цифровыми преобразователями, цифровые акселерометры, датчики частоты вращения, радиопередатчики, аккумуляторная батарея и прочие. Двигатель внутреннего сгорания 2, через клиноременную передачу 3 передает крутящий момент и вращает валы 4-6 и гребной винт 11, приводя в движение устройство относительно поверхности воды. Управление судном производится при помощи изменения частоты вращения валов и изменением положения рулевого устройства 15 относительно корпуса 1.
Регистрация деформаций растяжения, сжатия и кручения валопровода, возникающих в процессе его работы при продольных, поперечных и крутильных колебаниях, производится с помощью тензометрирования и измерений цифровыми акселерометрами согласно известным способам (см., например, Мехеда, В.А. Тензометрический метод измерения деформаций: учеб. пособие / В.А. Мехеда. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. - 56 с., Шкаликов, В.С. Измерение параметров вибрации и удара / B.C. Шкаликов, B.C. Пеллинец, Е.Г. Исакович - Москва: Изд-во стандартов, 1980. - 278 с., Оборский, Г.А. Возбуждение изгибно-крутильных колебаний и их измерения на вращающихся консольных инструментах / Г.А. Оборский, Ю.Г. Паленный, А.А. Оргиян // Вестник Хмельницкого национального университета. Технические науки. - 2016. -№. 1. - С. 146-149.).
Передача данных с измерительной аппаратуры производится по каналу радиосвязи с использованием беспроводного интерфейса (Покусаев, М.Н. Беспроводное тензометрирование/ М.Н. Покусаев, В.А. Юницкий // Датчики и системы. - 2009. - №. 5. - С. 29-31., патент RU №69992, 2007 г.). Подача питания на измерительную аппаратуру, размещенную в носовой части гребного вала возможна с помощью закрепления на вале аккумуляторной батареи, либо с использованием кольцевого токосъемника.
На чертеже изображен фрагмент получаемых при помощи устройства экспериментальных данных, где цифрами 16, 17 и 18 обозначены осциллограммы поперечных, крутильных и продольных колебаний, полученных путем тензометрирования, а цифрами 19, 20, 21 обозначены измеряемые акселерометром ускорения в направлениях вдоль оси вала, по касательной к окружности сечения вала и от поверхности вала к оси вала соответственно. В приведенных осциллограммах наблюдается возрастание амплитуд колебаний во всех направлениях в диапазоне от 340 об/мин до 380 об/мин, что свидетельствует о наличии связанности между различными видами колебаний в натурном валопроводе. Проведение измерений акселерометром в трех направлениях позволяет получать дополнительную информацию о виброскорости, виброускорении, амплитуде и частоте колебаний валопровода за определенный период времени или за один оборот вала.
Экспериментальные данные, полученные при помощи предлагаемого устройства, позволили установить область динамической неустойчивости валопровода при заданных частотах вращения вала. Проведение последующих экспериментальных исследований и обработка массива полученных данных позволит изучить совместное влияние колебаний на работоспособность судового валопровода.
Расширение диапазона экспериментальных исследований обусловлено тем, что в конструкции устройства возможно: изменять материал, длину и зазоры в опорах скольжения 8, а также расстояние между ними; материалы и диаметры упорного вала 4, промежуточного вала 5 и гребного вала 6; частоту вращения валопровода путем изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя 2, смены шкивов клиноременной передачи 3, что, в совокупности с гребным винтом со съемными лопастями 11, позволяет варьировать величины создаваемого гребным винтом упора и гидродинамическую нагрузку на валопровод.
Предлагаемая конструкция устройства позволяет изучать продольные, поперечные и крутильные колебания натурного судового валопровода, а также проводить многофакторные эксперименты по изучению напряженно-деформированного состояния и колебаний валов с использованием телеметрических измерительных систем. Проведение испытаний на предлагаемой конструкции устройства позволяет получить экспериментальные данные в условиях реальной эксплуатации без использования полномасштабной судовой энергетической установки.
Положительный эффект предлагаемого устройства - предлагаемое устройство позволяет повысить точность и валидность экспериментальных данных о колебаниях системы судового валопровода путем усовершенствования конструкции.