СУДОСТРОЕНИЕ 5'2012
УМЕНЬШЕНИЕ ШУМА И ВИБРАЦИИ СУДОВЫХ СИСТЕМ
8—9 декабря 2011 г. в Санкт-Петербурге Российское научно-техническое общество судостроителей имени академика А. Н. Крылова (секция «Акустика в судостроении») провело конференцию на тему «Уменьшение шума и вибрации гидравлических систем». В ней приняли участие специалисты предприятий и организаций Санкт-Петербурга, Нижнего Новгорода, Калининграда, Самары, Омска и Калуги.
Доклады, прочитанные на конференции, были посвящены методам уменьшения шумности оборудования и трубопроводов судовых систем, средствам борьбы с шумом и вибрацией, методам расчета шума и вибрации гидравлических систем и систем вентиляции и кондиционирования воздуха. В решениях конференции отмечена важность рассматриваемых вопросов. Ряд докладов, представленных ниже, рекомендовано опубликовать в нашем журнале.
КОЛЕБАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Н. А. Кузнецов, канд. техн. наук, В. И. Попков, докт. техн. наук,
С. В. Попков, докт. техн. наук, тел. (812) 7236072
(ФГУП «ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова») удк 534.1:621.6.03
Гидравлическая система — один из основных элементов изделий многих отраслей промышленности и в том числе судостроения. Их надежность, малошумность также в значительной степени определяются надежностью работы и малошумностью гидравлических систем трубопроводов. В связи с этим вопросы разработки методов расчета колебаний трубопроводов и создания гидравлических систем с минимальными колебаниями являются традиционными и актуальными. Современные методы расчета собственных и вынужденных колебаний систем трубопроводов судовых гидравлических систем имеют целью прежде всего решение задач прочности и минимизации колебаний в области низких частот. Однако эти методы не позволяют выполнять расчеты колебаний структуры (стенок) трубопроводов и жидкости в широком диапазоне частот при наличии в трубопроводах гибких вставок и с учетом влияния на эти колебания потока жидкости, поэтому они не могут быть использованы для решения акустических задач, для расчета и проектирования малошумных в широком диапазоне частот гидравлических систем при наличии в трубопроводе средств глушения гидродинамического шума и вибрации, а также с учетом зарождения шумов и вибрации, обусловленных нарушением однородности потока жидкости внутри трубопровода различной конфигурации.
Настоящая статья имеет постановочный характер. Ее цель — обозначение научных проблем, которые следует решать при создании научно-методической и измерительной
базы, с использованием которой можно исследовать и проектировать малошумные судовые гидравлические системы и их виброакустическую защиту. Выявляются три направления, имеющие равное значение и тесно связанные друг с другом:
• создание теории и методов расчета колебаний гидравлических систем в широком диапазоне частот при наличии гибких вставок и потока жидкости;
• разработка методов испытаний с целью получения информации об источниках колебаний гидравлических систем;
• исследование механических, акустических, механоакустических и акустико-механи-ческих сопротивлений гибких вставок с жидкостью, применяемых в гидравлических системах.
В диапазоне частот примерно до 1000 Гц (наиболее важном с точки зрения борьбы с акустическими колебаниями гидравлических систем) с достаточной степенью точности можно использовать физико-математическую модель распространения в жидкости трубопроводов гидравлических систем однородных волн и недеформирован-ности сечения вибрирующей трубы.
В этом случае представляется наиболее рациональным искать решение всех трех проблем с использованием параметров сил, действующих на структуру трубопроводов, скоростей вибрации структуры трубопроводов и звуковых давлений и объемных скоростей колебаний в жидкости, а также механических, акустических, механоакустических и акусти-ко-механических сопротивлений элементов гидравлических систем.
СУДОВЫЕ СИСТЕМЫ_СУДОСТРОЕНИЕ 6'2012
Общие уравнения вынужденных колебаний систем трубопроводов с жидкостью
Уравнения вынужденных колебаний должны учитывать:
а) силовые и вибрационные воздействия на структуру трубопроводов, а также звуковые давления и объемные колебательные скорости в среде, создаваемые источниками шума и вибрации в системах, таких как насосы, арматура и движущаяся внутри трубопроводов среда;
б) динамические характеристики (механические, акустические, механо-акустические и акустико-механичес-кие сопротивления) всех элементов системы, рассматриваемых как пассивные. Это динамические характеристики насосов, арматуры, гибких вставок и глушителей гидродинамического шума, элементов трубопроводов.
В настоящее время Н. А. Кузнецову удалось разработать такие уравнения расчета вынужденных колебаний систем трубопроводов [1—3]:
сз+сзнм -0 . 0 ср+ст(ю) ]
И 0 .0' И
| ЧБ ^ = I 'Б
[р ] 1-| со V]
где чб, 'Б, Р, V — векторы обобщенных перемещений и внешних сил (линейных и угловых), звуковых давлений, объемных скоростей источников
а)
1 Е+07 1 Е+06 1Е+05 1 Е+04 1 Е*03 I Е+02
Нвгтърнък системы.
тт
1переЬ
в)
100 Частота, Г%
звукового давления в узловых точках соединения источников шума и вибрации с системой трубопровода по структуре и жидкости; СБ, МБ — матрицы комплексных жесткостей и масс упомянутых ранее пассивных элементов гидравлической системы; С5н(ю), Срн(ю) — матрицы перекрестных (акустико-механических и ме-ханоакустических) динамических жесткостей элементов системы трубопровода (участков трубопровода, гибких вставок, глушителей гидродинамического шума), Ср, Ир — матрицы акустических жесткостей и масс среды внутри трубопровода;
0 — матрица упругоакустического взаимодействия, элементы которой пропорциональны площадям поверхностей структурных элементов, контактирующих с акустической средой; 0 — нулевая матрица.
Динамические свойства гибких вставок и элементов трубопроводов следует характеризовать матрицами порядка 14х14. Это позволяет использовать в уравнении (1) конечные элементы типовых участков трубопроводов значительной длины с определением их параметров традиционными аналитическими методами. В результате при расчетах значительно сокращается количество элементов и степеней свободы системы трубопроводов.
Определение виброакустических параметров, характеризующих виброактивность источников колебаний гидравлических систем (наб)
1 Е+07
2пере1
100 Частота, Ги
ш)роф(ш ктжхэ гифсфон*
/ к/ насос \ /1\
I—- Г
а¡броцзо/яторы
Частота, Гч
Частотные характеристики сопротивлений и схема испытаний насоса: а, б — входные механические сопротивления натурных систем и гибких вставок в осевом и поперечном направлении соответственно; в — входные акустические сопротивления натурных систем и гибких вставок; г — схема испытаний насоса
сосов, арматуры и участков трубопроводов)
Насосы и арматура
Насосы и арматура, совместно с присоединенными к ним гибкими вставками — это источники колебаний, которые характеризуются параметрами сил и звуковых давлений, действующих на бесконечное сопротивление структуры и жидкости трубопровода, а также входными сопротивлениями структуры и жидкости внутри гибких вставок, присоединенных к насосу или арматуре. Реализация этого метода возможна в связи с тем, что сопротивления системы трубопроводов обычно существенно превышают значения сопротивлений гибких вставок и глушителей гидродинамического шума, а входные механические и акустические сопротивления рукавов значительно меньше соответствующих сопротивлений насосов и арматуры[4].
При этом для характеристики насосов и арматуры как источников колебаний используется существующая схема виброакустических испытаний насосов и арматуры (рисунок). Давление рм измеряется непосредственно с помощью действующей методики МКГШО-96К, а сила Г.,м определяется по результатам измерения вибрации фланца насоса ч,,фл и механического передаточного сопротивления гибкой вставки
^вставка . ' _ 4 . ^вставка перед,ст* И ^ Ч1'фл перед,ст"
Участки трубопровода
Проведенные в ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова исследования шумо-зарождения в трубопроводах с жидкостью при ее движении в ограниченном пространстве показали, что элементы трубопроводов также следует рассматривать как активные составляющие. Поэтому нельзя ограничиваться традиционным положением, что только насосы и арматура являются источниками шума и вибрации в гидравлических системах.
Предложены способы характеристики элементов трубопроводов различной геометрии как источников колебаний с помощью параметров сил, действующих на бесконечную нагрузку в районе входного и выходного фланцев, а также параметров звукового давления, действующего на бесконечную нагрузку, или объемной скорости при нулевой нагрузке по жидкостному тракту в районе входного и выходного фланцев элемента трубопровода.
ю2 х
х
СУДОСТРОЕНИЕ 5'2012
СУДОВЫ5 СИСТЕМЫ
В следующей статье этого номера приведены результаты исследований по обоснованию упомянутых положений о характеристике элементов трубопроводов с движущейся жидкостью как активных элементов и методы экспериментального теоретического определения вышеперечисленных параметров сил и звуковых давлений.
Механические, акустические, механоакустические и акустико-ме-ханические сопротивления гибких вставок с жидкостью
В настоящее время в качестве основных элементов снижения шум-ности гидравлических систем трубопроводов применяются гибкие вставки и глушители гидродинамического шума. Для эффективного уменьшения вибрации и шума на пути их распространения по трубопроводам гидравлических систем гибкие вставки с жидкостью должны иметь механические и акустические сопротивления, значения которых на порядок меньше значений сопротивлений трубопроводов и столбов жидкости внутри трубопроводов. Именно поэтому гибкие вставки с жидкостью практически определяют процесс колебаний гидравлических систем, а
Для экспериментальных исследований влияния неоднородности потока в структурах трубопроводов различной формы на шум и распространяющуюся колебательную мощность в потоке жидкости, а также на возникающую при этом вибрацию был создан стенд с движущейся самопротоком жидкостью.
Стенд (рис. 1) представляет со
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.