СУДОСТРОЕНИЕ 2'2005
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УПРУГОГО КРЕПЛЕНИЯ СУДОВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ
М. Ю. Либерман, канд. техн. наук (ОАО «Мовен»)
При проектировании крепления судовых вентиляторов (СВ) возникают специфические проблемы, обусловленные воздействием на СВ вибрации, передающейся от судовых механизмов, и ударных импульсов. Поскольку для защиты от удара обычно используются значительно более жесткие упругие элементы, чем для защиты от вибрации, то при комплексном динамическом воздействии на СВ жесткость упругого крепления следует выбирать исходя из анализа преимуществ и недостатков «жесткого» и «мягкого» (упругого) крепления при ударном воздействии на колебательную систему, состоящую из вентилятора, крепежного элемента и основания.
Упругое (мягкое) крепление СВ позволяет снизить уровень излучаемого корпусом судна структурного шума (благодаря снижению уровня вибрации, передающейся от СВ на корпус) и ослабить динамические воздействия (вибрации или ударов), передающиеся на СВ от корпусных конструкций. В то же время упругому креплению присущи следующие недостатки: потеря устойчивости СВ при ударных воздействиях, увеличение габаритных размеров СВ из-за введения дополнительных элементов (амортизаторов, ограничителей хода, переходной плиты, упругого крепления трубопроводов).
Обычно упругое крепление СВ используется проектировщиками для снижения уровня структурного шума, излучаемого корпусом судна, поскольку в соответствии с требованиями отраслевой нормативной документации [1] СВ проходят испытания на воздействие вибрации и удара и, следовательно, в дополнительной защите от вибрации и удара не нуждаются.
Таким образом, упругое крепление СВ должно обеспечить эффективную виброизоляцию корпуса судна в области средних и высоких частот, при этом эффективность ударной изоляции может быть незначительной. Следовательно, нужно проектировать виброизолирующее крепление с жесткостной характеристикой, обеспечивающей сохранение устойчивости СВ при ударных воздействиях.
При проектировании такого виброизолирующего крепления необходимо ограничить предельные смещения вентилятора от положения равновесия (чтобы исключить возможность отрыва вентилятора от фундамента при ударных воздействиях). С этой целью используются ограничители хода ви-
броизоляторов либо дополнительные упорные виброизоляторы, которые ограничивают перемещение СВ в направлении горизонтальных осей.
В качестве исходных данных для проектирования упругого крепления СВ должны быть заданы:
масса и габариты СВ (а также расположение центра масс); частота вращения рабочего колеса и спектр собственных частот конструктивных элементов вентилятора (корпуса и рабочего колеса); допустимая амплитуда виброскорости, передающейся от СВ на корпусные конструкции судна;
амплитуда, форма и длительность ударных импульсов, действующих на СВ; допустимая амплитуда перемещения СВ при ударных воздействиях; параметры судовой вибрации (частотный спектр), передающейся с фундамента на вентилятор;
акустическое сопротивление (импеданс) конструктивного элемента судна (фундамента), на котором устанавливается СВ.
В процессе проектирования упругого крепления СВ (в частности, при выборе типа упругих элементов) необходимо учитывать их особенности.
1. По сравнению с судовыми механизмами СВ имеет небольшую массу (в частности, радиальные судовые СВ производства ОАО «Мовен» имеют массу от 8,5 до 250 кг, а осевые СВ — от 10 до 340 кг).
2. Для СВ характерна небольшая жесткость корпусных конструкций (этим обусловлено резонансное усиление судовой вибрации на собственных частотах конструктивных элементов вентилятора).
3. Основные источники вибрации вентилятора — дисбаланс рабочего колеса (на частоте вращения и ее гармониках) и вибрация подшипниковых узлов двигателя (в диапазоне частот 250—1000 Гц).
Основные принципы и методика проектирования системы виброизоляции судовых машин и механизмов изложены в ряде работ [2—4]. Эта методика предусматривает проведение статического и динамического расчета с целью подбора параметров и расстановки амортизаторов. В результате расчета определяются: статическая нагрузка на амортизаторы и их расположение, частота собственных колебаний и амплитуда колебаний СВ на амортизаторах, эффективность виброизоляции. Требования к эффективности виброизоляции определяются
СУДОСТРОЕНИЕ 2'2005
СУДОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
исходя из заданных нормативных значений спектральных уровней структурного шума [5]. При этом в качестве нормативного значения принимается уровень шума, корректированный по кривой «А», и, поскольку при такой корректировке низкочастотные компоненты в спектре шума существенно уменьшаются, можно использовать для крепления вентиляторов более жесткие амортизаторы, которые не обеспечивают значительной виброизоляции вентилятора на частоте вращения колеса. Так, при частоте вращения рабочего колеса СВ 45—50 Гц можно использовать для упругого крепления амортизаторы с собственной частотой колебаний = 15...20 Гц.
Помимо расчета эффективности виброизоляции, выполняется расчет параметров колебаний СВ на амортизаторах при ударном воздействии (в частности, коэффициента передачи ускорения через упругие элементы и смещения СВ при колебаниях на собственной частоте). Чтобы выполнить такой расчет, необходимо задать форму, длительность и амплитуду ударного импульса. В частности, для импульса, имеющего форму полуволны синусоиды
= М^т^л/.^) при 0 < Г < тзЬ, где Мь г5ь — соответственно амплитуда и характерная частота ударного импульса; = 1/2т5^, тзь — длительность импульса), коэффициент передачи ускорения в через амортизаторы вычисляется с помощью выражения [3]
в = [2/^ - ^^оаз^^) , (1)
где V = /Зь//О, /о — частота собственных колебаний СВ на амортизаторах. Ослабление ударного импульса при прохождении через амортизаторы обеспечивается в случае, когда коэффициент передачи в < 1 (т. е. при V> 1,8). При этом необходимо, чтобы максимальное перемещение СВ 8т не превышало величину свободного хода амортизатора (А): 8т < А. Максимальное перемещение 8т вычисляется с помощью выражения
5т = МЗЬ/(2ГСУ2
(2)
Для ограничения максимальной амплитуды колебаний СВ на амортизаторах (если она превышает допустимое значение 8доп, определяемое из конструктивных соображений) используются ограничители хода амортизаторов, для которых предусмотрены два конструктивных исполнения: с упругими либо жесткими элементами. При использовании упругого ограничителя хода удается уменьшить максимальное перемещение вентилятора до предельного значения 8доп, однако эффективность ударной изоляции снижается, поскольку в этом случае ударная нагрузка, передающаяся на СВ через амортизаторы, увеличивается (по сравнению с системой виброизоляции без ограничителей) [3, 6].
При использовании жестких ограничителей хода (с эластичной прокладкой либо без нее) зазор Ацт между упором ограничителя хода и рамой, на которой закреплены СВ, должен быть выбран таким, чтобы после соударения рамы с упором не возник режим непрерывных их соударений. Чтобы исключить возможность возникновения режима непрерывных соударений, необходимо следующее соотношение для величины зазора Ацт [6]:
А,т> М5ЬЮ2 | Ю2 - Шо2|"'х
2 1-1
х{
1 + к ¥ Гю ^
1 - к
( \ ЯЮ,
ч2ю ,
}1/2, (3)
Если свободный ход амортизатора будет меньше величины 8т, то, вследствие соударения СВ с фундаментом, ударный импульс будет усиливаться.
где к — коэффициент восстановления удара (для абсолютно упругого удара к = 1, а для абсолютно неупругого удара к = 0); Юс = 2п/О.
При проектировании упругого крепления следует учитывать, что изоляция вибрации и удара основана на несколько различных принципах [4]. Для ударной изоляции используются упругие элементы, способные при деформации накапливать энергию удара (путем преобразования ее в потенциальную энергию), а затем трансформировать ее в энергию колебаний СВ на собственной частоте (/а)зь :
(/а)зЬ = ^/тр где кзь — ударная жесткость упругих элементов, тр' — масса вентилятора. Причем удар ослабляется, если выполняется соотношение (/а)зЬ < 0,5
Для ослабления структурного
шума виброизолирующие элементы должны отражать (за счет рассогласования импедансов) и поглощать колебательную энергию. Поэтому
для крепления СВ следует использовать виброизоляторы с относительно «мягкими» упругими элементами: резинометаллические (типа АКСС-И); спирально-тросовые (типа СТВР) либо обрезиненные пружины (типа ВИ). Эффективность этих виброизоляторов на средних и высоких частотах повышается за счет поглощения энергии в области волновых резо-нансов упругих элементов.
При ударных воздействиях как резиновые, так и спирально-тросовые упругие элементы имеют нелинейную динамическую нагрузочную характеристику (т. е. зависимость деформации элемента от динамической нагрузки). При подборе виброизоляторов необходимо учитывать, что эффективность виброизоляции повышается при использовании упругих элементов с «мягкой» нелинейной характеристикой [7] (при этом на начальном участке нагрузочной характеристики жесткость упругого элемента меньше жесткости, соответствующей линейной нагрузочной характеристике). Однако максимальное перемещение СВ может превысить величину свободного хода таких виброизоляторов и, вследствие этого, ударный импульс будет усиливаться при прохождении через виброизолятор.
При использовании упругих элементов с «жесткой» нагрузочной характеристикой (когда жесткость элемента растет быстрее, чем по линейному закону) увеличивается количество накапливаемой в упругом элементе потенциальной энергии и уменьшается деформация виброизолятора, поэтому целесообразнее использовать для крепления СВ виброизоляторы с такими элементами.
Следует отметить, что при ударных воздействиях и резинометаллические амортизаторы типа АКСС-И, и спирально-тросовые виброизоляторы типа СТВР имеют «мягкую» нагрузочную характеристику [7], а амортизаторы типа АКСС-М — «жесткую» характеристику.
Расчеты показывают, что резинометаллические амортизаторы типа АКСС-М не могут использоваться для крепления СВ из-за слишком большой жесткости, а амортизаторы типа АКСС-И [2, 7] лишь частично удовлетворяют эт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.