МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МОРСЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені адмірала Макарова

Шарейко Дмитро Юрійович

УДК 629.12.05–752

СИНТЕЗ ВІБРОЗАХИСНИХ СИСТЕМ

СУДНОВИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК

З КЕРОВАНИМИ ДИНАМІЧНИМИ ВІБРОГАСНИКАМИ

Спеціальність 05.08.05 – Суднові енергетичні установки

Автореферат дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Миколаїв 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному морському технічному універ-ситеті Міністерства освіти і науки України, м.Миколаїв.

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Провідна установа: | кандидат технічних наук, професор кафедри автоматики Українського державного морського технічного універ-ситет імені адмірала Макарова, Гуров Анатолій Пе-трович, м.Миколаїв.

доктор технічних наук, професор кафедри динаміки та міцності суднових машин Крючков Юрій Семенович, Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова, м.Миколаїв;

кандидат технічних наук, доцент кафедри суднових ене-ргетичних установок і технічної експлуатації Варба-нець Роман Анатолійович, Одеський національний морський технічний університет Міністерства освіти і науки України, м.Одеса.

Одеська державна морська академія Міністерства освіти і науки України, м.Одеса.

Захист відбудеться 21.10.2002 р. о 15 год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.01 в Українському державному морсь-кому технічному університеті за адресою: 54025, м.Миколаїв, просп. Героїв Сталінграда, 9, головний корпус УДМТУ, ауд.360.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Українського державного мор-ського технічного університету імені адмірала Макарова університеті за адре-сою: 54025, м.Миколаїв, просп. Героїв Сталінграда, 9, головний корпус УДМТУ.

Автореферат розісланий 09.09.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Квасницький В.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Проблема зниження шуму та вібрації машин і ме-ханізмів судно-вих енергетичних установок (СЕУ), їхніх фундаментів і корпус-них конструкцій судна, що примикають до них, відома давно. Розв’язання цієї проблеми безпосередньо пов’язане з під-вищенням ефективності, надійності, довговічності та ремонтопридатності установок. Зни-ження гідроакустичних шумів є важливим завданням при проектуванні й побудові кораблів і підвод-них човнів. Вібрація і шум згубно впливають на населеність судна, можуть бути причиною часткової втрати працездатності чи захворювань екіпажу.

Особливої гостроти ця проблема набула в даний час у зв'язку з тривалою експлуатацією СЕУ без планово-профілактичних ремонтів. Це призведе до підвищення вібрації та шуму механізмів і машин СЕУ, деформації корпусів і фундаментів унаслідок розцентрування ва-лів, обумовленого спрацюванням опорних вузлів, до зміни в'язкопружних властивостей віб-роізоляції та віброга-сильних пристроїв через старіння, а в ряді випадків до виходу їх з ладу.

Урахувати всі причини вібрацій елементів СЕУ на етапі проектування неможливо через відсутність достовірних розрахункових методик. Необхідне доведення установок за рівнем вібрацій після їхнього монтажу, що пов'язано з додатковими витратами і простоями.

Знизити вібрацію та шум машин і механізмів СЕУ, їхніх фундаментів і прилеглих корпу-сних конструкцій, змонтованих на судні, практично немож-ливо. Тому на стадії проекту-вання необхідно передбачити такі пристрої, що до-зволяють цілеспрямовано підтримувати рівень вібрації в припустимих межах. Ці пристрої називають керованими, чи регульованими, віброгасниками.

Відомі різні типи суднових керованих віброгасників. Однак вони занадто складні в конс-труктивному виконанні, мають порівняно великі маси й габа-рити і не можуть бути безпосе-редньо встановлені разом з віброізоляторами.

З цієї причини в дисертаційній роботі поставлена актуальна задача зни-ження рівня віб-рації та шуму машин і механізмів СЕУ шляхом удосконалю-вання керованих віброгасників і створення узагальненої методики для вибору їхньої кількості й оптимального розташування на об'єкті, що містить віброізо-лятори.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота ви-конувалася від-повідно до держбюджетних науково-дослідних тем: 1216 "До-слідження віброзахисних сис-тем з керованими віброгасниками для суднових енергетичних установок", № ДР – 019U023264 за напрямком 06 "Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології"; 1431 "Дослідження суднових систем енергозберігаючого електропривода", № ДР – 0101U008041 за напрям-ком 04 "Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автомати-зації". Автор дисертаційної роботи брав участь у наукових дослідженнях з ука-за-них тем як відповідальний виконавець.

Мета і задачі досліджень. Мета досліджень полягала у вирішенні актуа-льної задачі віб-рогасіння та зниження рівня шуму машин і механізмів СЕУ шляхом удосконалювання керо-ваних віброгасників і створення узагальненої методики, алгоритмів і програм для раціона-льного вибору їхніх робочих пара-метрів, кількості й оптимального розташування на об'єкті, установленому на віброізолятори.

Для досягнення цієї мети в дисертації поставлені й успішно вирішені на-ступні задачі, що полягають у розробці:–

методики розрахунку амплітуд переміщень машин і механізмів СЕУ при змушених ко-ливаннях; –

узагальненої методики раціонального вибору робочих параметрів, кіль-кості й оптима-льного розташування віброгасників на об'єкті, встановленому на віброізолятори;–

малогабаритних динамічних віброгасників електромагнітного типу із си-стемою автома-тичного керування частотним настроюванням на дискретних програмованих контролерах;–

методики розрахунку робочих характеристик керованого динамічного віброгасника;–

алгоритмів і пакета обчислювальних програм, призначених для аналізу розрахунку пра-цездатності системи віброгасіння з керованими динамічними віброгасниками;–

експериментального стенда для відпрацьовування керованих віброгасни-ків і підтвер-дження основних положень дисертаційної роботи;–

рекомендацій для забезпечення припустимого рівня вібрацій та шуму машин і механіз-мів СЕУ на замовлення підприємств України.

Об'єктом дослідження в роботі є системи віброзахисту машин і механіз-мів СЕУ з керо-ваними динамічними віброгасниками електромагнітного типу.

Предмет дослідження – поліпшення віброакустичного стану машин і ме-ханізмів СЕУ шляхом використання динамічних керованих віброгасників, ви-значення кількості й оптима-льного розташування віброгасників на об'єкті, встановленому на віброізолятори, а також удосконалення конструкції ціх віб-рогасників.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження змушених коливань об'єкта СЕУ виконані на основі відомих рівнянь теорії малих коливань твердого тіла з одно- чи двокаскадною си-стемою віброізоляції та керованими віброгасниками. Ці рівняння наведені в матричній фо-рмі. Числове розв’язання матричних рів-нянь руху коливальної системи виконано на персо-нальному комп'ютері за роз-робленою програмою, яка написана мовою СІ. Характеристики керованого ві-брогасника розраховувалися в процесі розв’язання відомих інтегральних рів-нянь електродинаміки методом виключення Гаусса. Експериментальні дослі-дження, при-значення яких полягало в перевірці вірогідності розроблених ме-тодик і працездатності ке-рованого віброгасника, здійснені на стенді, сконстру-йованому за зразком реального об'єкта.

Вірогідність розроблених і теоретично обґрунтованих методик підтвер-джується вимі-рами амплітуд переміщень і частот змушених коливань проміж-ної платформи двокаскадної системи віброізоляції об'єкта та робочих характе-ристик віброгасників, установлених на цій платформі, а також натурними ви-пробуваннями машин і механізмів СЕУ кораблів "Гетьман Сагайдачний" і "Слава". Робочі характеристики спроектованого й виготовленого керованого віброгасника одержані в процесі його відпрацьовування на вібростенді ВЕДС 200.

Наукову новизну становлять наступні результати, що виносяться на за-хист:–

запропоновано науково обґрунтоване й експериментально підтверджене положення про те, що найбільший ефект від віброгасіння елементів СЕУ керованими віброга-сниками досягається при їх установленні на проміжну платформу двокаскадної системи віброізоляції об'єкта захисту;

– вперше здійснений аналіз динамічних явищ, які відбуваються в колива-льній системі, що складається з вібруючого об'єкта СЕУ і системи віброізоляції, при інерційному впливі керо-ваних віброгасників на поверхні елементів, де вони закріплені. Результатом цього аналізу є визначення оптимальної кількості віброгасників та ефективних місць їх закріплення на машинах та механізмах СЕУ;

–вперше отриманий розподіл напруженості електромагнітного поля в по-вітряному зазорі виконавчого пристрою керованого динамічного віброгасника за допомогою розв'язання сис-теми інтегральних рівнянь, складених для розподілу потенціалу простого шару вторинних джерел з використанням закону по-вного струму в ядрі цих рівнянь. Це дало змогу удосконалити методику проектування керованих віброгасників;–

вперше здійснено аналіз характеристик керованих віброгасників при зміні форми полю-сів у їхньому виконавчому пристрої і запропоновано най-більш ефективну конфігурацію цих полюсів, що призводить до розширення частотного діапазону регулювання або зниження маси та габаритів керованих віброгасників які застосовуються в СЕУ.

Практичну цінність роботи становлять:–

узагальнена методика раціонального вибору параметрів, кількості й оп-тимального роз-ташування віброгасників на об'єкті, встановленому на віброізо-лятори;–

малогабаритний віброгасник електромагнітного типу із сис-темою автома-тичного керування частотним настроюванням на дискретних програмованих контролерах;–

методика розрахунку характеристик керованого віброгас-ника;–

алгоритми і пакет обчислювальних програм, призначених для аналізу працездатності системи віброгасіння з керованими віброгасни-ками;–

експериментальний стенд для відпрацьовування керованих віброгасни-ків.

Особистий внесок здобувача:–

створено узагальнену методику формування матриць комплексних кое-фіцієнтів жорст-костей при розрахунках параметрів віброзахисних структур машин та механізмів СЕУ, ви-значенні кількості віброгасників та місць їх роз-ташування, а також методику визначення сил та моментів використовуючи ре-зультати вимірювань;–

запропоновано формули для обчислення силових характеристик вико-навчого пристою керованого динамічного віброгасника, здійснено аналіз хара-ктеристик керованих віброгас-ників при зміні форми полюсів у їхньому вико-навчому пристрої і запропоновано найбільш ефективна конфігурація цих по-люсів;–

розроблено малогабаритний динамічний віброгасник електромагнітного типу із систе-мою автоматичного керування частотним настроюванням на дис-кретних програмованих ко-нтролерах з програмою, що загружається в постій-ний запам'ятовуючий пристрій мікроконт-ролера, пакет прикладних програм для розрахунку параметрів віброзахисних систем машин та механізмів СЕУ з керованими динамічними віброгасниками;–

проведено дослідження динамічних явищ, які відбуваються в коливаль-ній системі, що складається з вібруючого об'єкта і системи віброізоляції, при інерційному впливі керованих віброгасників на поверхні елементів, де вони за-кріплені, встановлено, що найбільший ефект від віброгасіння керованими віб-рогасниками досягається при їх установленні на проміжну платформу двокас-кадної системи віброізоляції об'єкта захисту.

Реалізація результатів роботи. Результати роботи були використані в НДР № ДР – 193U043/82 "Аналіз можливості ефективного використання керо-ваних динамічних віброгас-ників для зниження рівнів вібрації енергетичного устаткування і допоміжних механізмів за-мовлення "Кордон-М", виконаній в КДПЦК; НДР № ДР – 019U023264 "Дослідження вібро-захисних систем з керо-ваними віброгасниками для суднових енергетичних установок", ви-конаній в УДМТУ; НДР № ДР – 0196U001995 "Реконструкція установок ЕПЗ та вакуум-них насосів з розробкою та установкою віброзахисних систем", виконаній на ВО "Зоря". Розро-бка навчальних програм для курсів "Основи вібротехніки", "Вібротехнічні керовані сис-теми", "Віброприводи", "Вібродіагностика" та "Елементи систем автоматики". Упрова-дження результатів роботи підтвер-джені відповідними актами.

Апробація роботи. Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи допові-далися й обговорювалися на Міжнародному науково-практич-ному симпозіумі "Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення" (Миколаїв, 1997 р.), 2-й Міжнародній науково-техніч-ній конференції "Проблеми енерго-постачання й екології в суднобудуванні" (Миколаїв, 1998 р.), на IV Всеук-раїнській конференції "Фундаментальна і професійна підготовка фахів-ців з фі-зики" (Миколаїв, 1999 р.), на II і III Всеукраїнських молодіжних науково-прак-тичних конференціях з міжнародною участю "Людина і космос", присвячених Дню космонав-тики (Дніпропетровськ, 2000 і 2001 р.), Міжнародних нау-ково-технічних конференціях "Про-блеми створення нових машин і техноло-гій" (Кременчук, 2000 і 2001 р.), "Інформа-ційна техніка й електромеханіка на порозі XXI сторіччя" (ІТЕМ-2001, Луганськ, 2001 р.), на 2-й науково-технічній конференції ВМС України "Проблеми реформування ВМС України, роз-виток озброєння і військово-морської техніки" (Севастополь, СВМІ, 2000 р.), VI Все-ук-раїн-ській конференції "Фундаментальна і професійна підготовка вчителів з фізики" (Мико-лаїв, 2001 р.).

Публікації. Результати дисертації, що виносяться на захист, опубліковані в десяти стат-тях науково-технічних збірників списку ВАК України (2 без спів-авторів), шести тезах у збі-рниках тез міжнародних, всеукраїнських і військо-вих конференцій; отримано чотири декла-раційні патенти на винахід, випуще-ний один науково-технічний звіт.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розді-лів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загаль-ний обсяг роботи складає 253 сторінки, з яких 80 сторінок – додатки. Робота також містить 36 таблиць, 47 рисунків, спи-сок використаних джерел з 93 на-йменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета й осно-вна задача дослі-дження, перераховані проблеми дослідження і результати, що виносяться на захист, стисло викладена наукова новизна дослідження про-блеми, визначена практична цінність отрима-них результатів.

У першому розділі розглянуто літературу з проблематики, що досліджу-ється, вказані основні напрямки і підходи у вирішенні поставлених задач. Про-аналізовано віброакустичні характеристики (ВАХ) елементів СЕУ з метою до-вести, що основний їх локальний екстре-мум незалежно від розміщення машин і механізмів на судні обумовлений частотою обер-тання валів і може знаходи-тися поблизу власних частот установок. Також аргументовано доведена необ-хідність застосування систем віброзахисту машин і механізмів СЕУ від низь-кочастотної вібрації. При розробці математичної моделі для дослідження ко-ливальних про-цесів у динамічних системах на низьких частотах аналізувалися два відомі напрямки:–

одновимірна задача з вибором модальних коефіцієнтів (інерційних, ди-сипативних і жо-рсткості) таким чином, щоб близькорезонансні й антирезонан-сні зони амплітудно-частотних характеристик (АЧХ) розрахункової схеми від-повідали за амплітудою та частотою сплескам і провалам реальної ВАХ дослі-джуваного механізму;–

просторова задача для одно- і двокаскадної системи віброізоляції, у якій об'єкт захисту є абсолютно твердим тілом рівномірної щільності, з'єднаним з опорними зв'язками за допо-могою зосереджених жорсткостей.

Огляд літератури показав, що існуючі способи розрахунку параметрів віб-розахисних сис-тем засновані на матричному й частотному підходах і дослі-дженні пружних деформацій віб-роізоляторів. Однак існуючі методи розрахун-ків не дозволяють урахувати, як кількість віб-рогасників і місця їхнього кріп-лення впливають на ефективність віброзахисних систем ма-шин і механізмів СЕУ. Тому виникає необхідність побудови математичної моделі для прос-торо-вих динамічних структур з багатьма об'єктами, що обгрунтовано в першому розділі. Аналіз систем автоматичного управління (САУ) з керованими динамі-чними віброгасниками (КДВГ) дозволив відзначити перспективи поліпшення ефективності віброзахисних систем елементів СЕУ з КДВГ.

У другому розділі розглянуто розроблену математичну модель просторо-вої динамічної структури з багатьма об'єктами, що складена для синтезу вібро-захисних систем елементів СЕУ з КДВГ. Числовий експеримент і син-тез віброзахисної структури здійснені на при-кладі дизель-генератора ДГ-190, надалі об'єкта захисту (ОЗ), що встано-влений у двокаскад-ній системі віброізоляції з передбаченими місцями кріплень віброгасників (рис.1). Дизель-генератор ДГ-190 складається з генератора 8, ди-зеля 6, сполучної муфти 7, настановної платформи 5. Він закріплений у двока-скадній системі віброізоляції на віброізоляторах вер-хнього каскаду 4. Промі-жна платформа (ПФ) 2 закріплена на віброізоляторах нижнього ка-скаду 1 ко-рабельного фундаменту 9 з роз-мі-щеним на ній динамічним віброгасником 3. Рівноважне положення головних центра-льних осей інерції проміжної платфо-рми визначає нерухому систему координат OXYZ, ще дві нерухомі системи ко-ординат O1X1Y1Z1 і O2X2Y2Z2 визначають рівноважне положення го-ло-вних центральних осей інерції відповідно дизель-генератора та динамічного віброга-сника. У другому розділі наведені диференціальні рівняння коливань цієї стру-ктури. У матричній фо-рмі система диференціальних рівнянь, що описують ко-ливання установки в системі коор-динат OXYZ, має вигляд , де F – вектор результуючого зусилля, що дефор-мує віброізолятори; A – симетри-чна матриця коефіцієнтів жорсткостей; X – вектор ко-ординат об'єкта відносно його центра інерції; I – одинична матриця; B – симетрична матриця коефіцієн-тів демпфірування; P – вектор збурювальних сил і моментів. Розмірність мат-риць A і B – 18x18. У загальному випадку порядок системи диференціальних рівнянь – 6n x 6n, де n – кількість об'єктів у динамічній структурі.Більшість машин і механізмів СЕУ, наведених у першому розділі, мають сплески амплі-туд ВАХ на частотах 25 і 50 Гц і кратних їм. Тому параме-три розрахункової схеми для син-тезу віброзахисної струк-тури підібрані таким чином, щоб забез-печити основний сплеск ВАХ на частоті 50 Гц. Ця розрахункова схема відпо-ві-дає динамічній структурі (див. рис.1). На рис.2 наведені геометричні розміри розраху-нкової схеми і показані координати центра мас (ЦМ) об'єкта захисту, а також пронумеро-вані точки кріплення віброізоляторів і позначені їхні коорди-нати. Точки кріплення віброга-сни-ків позначені порядковими номерами. Зу-силля впливає по вертикалі в ЦМ об'єкта захи-сту. Осі жорсткостей кожного ві-броізолятора співвісні осям розрахункової системи коор-динат, осі якої – голо-вні осі інерції проміжної платформи. Інші параметри розрахункової схеми на-ведені в табл.1. Розрахунок виконувався для шести варіантів кріплення вібро-гасни-ків. Результати розрахунків амплітуд коливань у контрольних точках (див. рис.2) на час-тоті 50 Гц подані в табл.2.

Аналіз цих результа-тів дозволяє відзначити наступні особливості ни-зько-частотних коли-вань ОЗ у двокаскадній системі віброізоляції з динаміч-ними ві-брогасниками:

–перерозподіл амп-лі-ту-д ко-ливань у контро-льних точках розрахунко-вої схеми без вібро-гасни-ків незначний. Це можна пояснити тим, що зу-силля прикладено в ЦМ верх-нього об'-єкта (див. рис.2) по вертикалі;–

розходження між ампліту-дами коливань об'-єкта захисту і проміжної платформи в чо-тири рази свідчить про ефек-тивність двокаскадної системи віброізоляції;–

установлен-ня вібро-гас-ни-ків у протилеж-них кутах про-міжної пла-тфо-рми (точки 9 і 16, 13 і 11) знижує ам-плі-туди ко-ливань цієї платфо-рми в се-ред-ньому в три рази й об'єкта за-хисту в пів-тора разу. При-чому перерозпо-діл амплітуд коли-вань у контроль-них точках об'єкта за-хи-сту не-зна-чний. Пе-ре-роз-поділ коливань у контрольних точках проміжної платфо-рми при цьому до-ходить до 1 мкм (то-чки 12 і 13), що скла-дає 25 % від макси-мального зна-чення амплітуди коли-вань (точка 13);–

розміщення віб-рогасників на проти-лежних гранях проміжної платформи (точки 10 і 14) менш ефективне і приво-дить до більшої різниці амплітуд коливань у контрольних точках динамічної структури;–

установлення вібро-гасників у ЦМ об'-єктів динамічної структури дозволяє в середньому в де-сять разів знизити амплітуди коли-вань об'єктів при їх незнач-ній рі-зниці в контроль-них точках; –

встановлені в центрах мас об'єк-тів віброгасники (при цьому зу-силля при-кла-дено в центр мас об'єкта захисту) у се-ред-ньому в три рази ефективніші, ніж роз-ташовані по краях проміжної платформи. Тому для одержання та-кого ж ефекту від розміщення вібро-гас-ників по краях про-міжної платфо-рми не-обхідні при-наймні ще дві пари віброгасників (у точках 9, 11, 12, 13, 15, 16) з такими ж параметрами. Цей факт важливий тому, що в реальних машинах і механізмах СЕУ майже неможливо встановити віброгасник у центрі мас. До того ж, як показує аналіз, закріплення віброгасників у місцях впливу сили найчастіше неможливе.

Отримані результати не можна одержати за допомогою відомих методів розрахунку, що розширює перспективи подальших досліджень проблеми оп-тимізації віброзахисної структури. Сформована в результаті синтезу структура віброзахисту, система віброізоляції – динамічні віброгасники, дозволяє при-близно в десять разів знизити рівень вібрації, переданої по опорних конструк-ціях на частоті настроювання віброгасників.

Третій розділ присвячений проблемам підвищення ефективності КДВГ для віброзахисту елементів СЕУ на низьких частотах. На підставі вимог, про-поно-ваних до систем віброзахисту взагалі і до КДВГ зокрема, показані пере-ваги ві-брогасників електромагнітного типу з постійним повітряним зазором. Питання поліпшення динамічних характеристик САУ КДВГ вирішуються комплексно. Наприклад, підвищення ефективності КДВГ шляхом збільшення добротності приводить до зменшення маси і габаритів виконавчого пристрою віброгасника. Розширення частотного діапазону його регулювання дозволить не тільки зме-ншити масу і габарити КДВГ при початковому діапазоні, але й забезпечити лі-нійність регулювальних характеристик виконавчого пристрою, що поліпшить точність регулювання і підвищить ефективність віброгасіння. Конструкція за-пропонованого КДВГ вигідно відрізняється від усіх інших, ке-рування частот-ним настроюванням у яких здійснюється за допомогою силових характеристик магнітного поля. Регулювання частотним настроюванням від-бувається шляхом додавання до коефіцієнта жорсткості пружних елементів коефіцієнта електро-магнітної жорсткості (ЕЖ):

, | (1)

де в – частота настроювання, що забезпечується пружними елементами КДВГ; – збільшення частоти в процесі регулювання; C – коефіцієнт жорсткості пружних елементів; Cем – коефіцієнт електромагнітної жорсткості; m – маса виконавчого пристрою КДВГ.

Регулювання нагору від частоти настроювання, забезпечуваної пруж-ними елементами КДВГ, дозволяє поліпшувати добротність віброгасника. Од-нак ця конструкція має один недолік – ЕЖ забезпечується не основним пото-ком магнітного поля виконавчого пристрою КДВГ, а потоками розсіювання. Елек-тромагнітні зусилля, що створюються цими потоками, на порядок менші від тих, котрі створюються основним потоком. Збільшення витків чи струму в об-мотці керування призводить до додаткової витрати міді та насичення сталі, зменшення повітряного зазору погіршує технологічність КДВГ. Найбільш ефективно можна впливати на конструктивні якості КДВГ за допомогою зміни форми полюсів виконавчого пристрою. Цей шлях вирішення проблеми утруд-нений особливостями математичного апарату для досліджень електро-магнітних процесів у виконавчому пристрої. Відома конструкція КДВГ, де ос-новний полюс дробиться на прямокутні підполюси. Добротність КДВГ елек-тромагнітного типу Q, виражену через відношення втрат за період коливань до коливальної енергії, можна записати наступним виразом:

, | (2)

де ?во – частота настроювання віброгасника; m – рухома маса КДВГ; p – чи-сло пар полюсів; – ширина; l – довжина полюса; B – індукція в повітряному за-зорі; – питома електрична провідність магнітопроводу. Вираз (2) свідчить про неоднозначний вплив на добротність КДВГ дроблення полюсів його вико-нав-чого пристрою. З одного боку, збільшення пар полюсів p приводить до зме-н-шення добротності, з іншого – зменшення ширини полюса збільшує доброт-ність. Для дослідження проблеми поліпшення динамічних характеристик ви-конавчого пристрою КДВГ автором використаний метод інтегральних рівнянь. Однак складність математичного апарату, на якому заснований метод, і нестій-кість рішень інтегральних рівнянь змушують використовувати апріорну інфо-рмацію та модифікувати математичну модель. Метою розробки математичної моделі є розрахунок за її допомогою електромагнітного зусилля, що впливає на елемент границі рухомого магнітопроводу dl у напрямку нормальної складової магнітного поля Hn:

Проблему стійкості й одиничності розв’язання інтегральних рівнянь і збіж-ності послідовних наближень можна вирішити, використовуючи закон по-вного струму як апріорну інформацію. Напруженість магнітного поля всере-дині не-насиченого магнітопроводу наближена до нуля, і вся енергія сконцен-трована в зазорах. З урахуванням цього інтегральні рівняння для розрахунків Hn бу-дуть мати вигляд

, (3)

де ; ;

I, W – струм і кількість витків обмотки керування КДВГ, що охоплені замкну-тим контуром l. Інтегральне рівняння (3) дає стійке й однозначне рішення. Для його реалізації використовується відомий метод виключення Гаусса, що значно скорочує час розрахунків на відміну від методу послідовних наближень і SVD. Пропонований алгоритм дозволяє варіювати геометрією, особливостями мате-ріалів та іншими характеристиками, може замінити довгий і дорогий експери-мент швидким розрахунком з використанням обчислювальної техніки різних варіантів конструкцій. За допомогою розробленої обчислювальної програми були вперше досліджені силові характеристики виконавчого пристрою КДВГ.

На рис.3 показана залежність електромагнітних зусиль від переміщення маг-ні-топроводів при сталості по-ві-тряного зазору. Вихідні дані для розрахунку: сила струму 1 А; кількість витків обмо-тки підмагнічування – 400; ши-рина полюса a = 11 мм; між-полюсна відстань b = 45 мм; повітряний за-зор c = 1 мм; радіус рухомої час-тини КДВГ d = 55 мм; довжина полю-сів 45 мм. Регулювання КДВГ, згідно з виразом (1), здійс-ню-ється за допомогою коефіціє-нта електромагнітної жорсткості, що розраховується як Cem = Fem/Xmax , де Xmax – амплітуда ко-ливань рухомої маси КДВГ, на яку він проектується; Fем – елек-тро-магнітні зусилля у вико-навчому пристрої при зсуві рухомої частини на Xmax; Cем – коефіці-єнт електромагнітної жор-сткості. Враховуючи формулу (3), отриману для цих па-раметрів характеристику (див. рис.3) умовно можна розбити на три ділянки. Перша характе-ризує наростання її до ви-гину. Цю діля-нку при розрахунку електромагнітної жорсткості мо-жна лінеаризувати. Лінеа-ризована друга ділянка – це пряма, рівнобіжна осі ОХ до точки k. Третя – спад характерис-тики, що визначає від'ємну жорсткість. Уперше було вста-нов-лено, що Fемmах знаходиться при пе-реміщенні полюсів на від-стані k, яка відріз-няється від ви-соти полюса. Оскі-льки ви-сота полюса a вибирається в за-лежності від ам-плі-туди ко-ливань рухомої частини віб-ро-гас-ника, така роз-біжність може ви-кликати зниження ефективності вібро-гас-ника. Відзначена особливість ви-кли-кає необхідність прове-дення дослідження й установ-лення закономірності роз-міщення екстремуму тягових характеристик виконавчого пристрою КДВГ по висоті по-люса. Для цього необхідно визначити вплив параметрів виконав-чого при-строю КДВГ (вели-чин a, b, c, d) на розташування то-чки k по висоті по-люса. Точка k1 отримана в ре-зультаті експерименталь-них досліджень за допомо-гою спеціально розробле-ної установки. Конструк-ція цієї установки наве-дена в ди-сертаційній ро-боті. Розбіжність теорети-чних та експеримен-таль-них результатів свідчить про придатність розробленої математичної моделі для інжене-рних розрахунків. На рис.4 у відносних одиницях показана залежність розташування точки k по висоті полюса від пара-метрів виконавчого пристрою КДВГ. Залежність на рис.4 слід урахо-вувати для визначення попра-вки до відомої мето-дики при виборі ши-рини полюса ви-конав-чого пристрою КДВГ. З урахуванням попра-вки її можна вибрати так, щоб розміщення точки k по висоті по-люса до-рівнювало ам-плітуді коливань ру-хомої маси КДВГ, на яку про-ектується віброгасник. Ре-зультатом проведених досліджень є уточнення відомої методики проектування КДВГ з пи-тання ви-бору висоти по-люса, а також спроектований КДВГ із роз-ширеним діапазоном регу-лювання. Підвищення ефективності розробленого КДВГ досягнуто завдяки трапецеїда-льній формі полюсів і зменшенню їхньої кількості. У третьому роз-ділі ав-тором уперше запропо-новано використовувати дискретні елементи в САУ КДВГ, зо-крема однокристальні мікро-ЕОМ (ОМЕОМ). Застосу-ван-ня ОМЕОМ дозволяє не тільки виконати фор-му-вання ке-рую-чого впливу в реаль-ному масштабі часу з не-обхідною точністю, але й зменшити кіль-кість елемен-тів сис-теми, що приво-дить до підвищення її на-дійності, а також на-дає можли-вість реалі-зації таких допоміж-них функцій, як удосконалення програми, що завантажується в по-стійний запам’ятовуючий пристрій ОМЕОМ. Крім цього реалізація фун-кцій введення до-зволяє зробити систему більш універсальною завдяки можливості перебу-дови параметрів системи для роботи з різними ви-конавчими пристро-ями. У цьому розділі наведена розроб-лена принципова схема блока, що формує керуючий вплив у САУ, яка ви-конана на основі ОМЕОМ, а також алгоритм програми, записаної в постійний запам'ятовую-чий пристрій мік-роконтролера.

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням. У ньому за допомо-гою розробленої методики здійснений синтез віброзахисної системи експериментальної установки, а також показана ефективність обраної системи віброзахисту.

Вирішення цих задач проводиться в наступній послідовності:–

підтвердження адекватності математичної моделі розрахунку коливань ма-шин і механі-змів СЕУ на низьких частотах;–

підтвердження адекватності математичної моделі розрахунку тягових ха-ра-ктеристик КДВГ;–

виготовлення КДВГ із трапецеїдальними полюсами та порівняння його ди-намічних ха-рактеристик з базовим варіантом;–

виготовлення розробленого блока, що формує керуючий вплив у САУ час-тотним на-строюванням КДВГ, і дослідження його характеристик;–

перевірка результатів синтезу віброзахисних структур машин і механіз-мів СЕУ за допо-могою спеціально розробленої експериментальної установки в компонуванні з некерова-ними і керованими віброгасниками.

Результати синтезу віброзахисних структур машин і механізмів СЕУ, одер-жані в другому розділі, були втілені в експериментальну установку, спро-екто-вану таким чином, щоб її ВАХ відповідала ВАХ машин і механізмів, які були проаналізовані в першому розділі. На рис.5 зображена схема розташу-вання да-тчиків в експериментальній установці з основною гармо-нікою вібрації привод-ного двигуна (ПД) – 50 Гц. У табл.3 наведені результати вимірів рів-нів верти-кальної вібрації (РВВ) експериментальної установки в однокаскадній си-стемі (ОС) віброізоляції, у табл.4 – результати вимірів РВВ експериментальної уста-новки в двокаскад-ній системі віброізоляції.

Таблиця 4

Рівні вібрації в двокаскадній системі віброізоляції, мкм

Номер точки | f1 | f2 | f3 | f4 | f5 | Номер точки | f1 | f2 | f3 | f4 | f5

Гц | Гц

31,5 | 40 | 50 | 100 | 150 | 31,5 | 40 | 50 | 100 | 150

1 | 6 | 24 | 41 | 1 | 2 | 9 | 1 | 18 | 45 | 1 | 0,3

2 | 1 | 24 | 27 | 1 | 1 | 10 | 0,3 | 7 | 33 | 1 | 0,5

3 | 2 | 20 | 29 | 1 | 1 | 11 | 0,5 | 9 | 71 | 1 | 0,3

4 | 9 | 70 | 69 | 3 | 2 | 12 | 2 | 1,7 | 218 | 2 | 0,4

5 | 7 | 36 | 48 | 1 | 2 | 13 | 1 | 23 | 27 | 2 | 1

6 | 2 | 16 | 39 | 0,5 | 0,5 | 14 | 1 | 9 | 70 | 1 | 1

7 | 0,4 | 13 | 34 | 0,5 | 1 | 15 | 1 | 2 | 95 | 1 | 0,5

8 | 6 | 33 | 55 | 2 | 4 | 16 | 1 | 30 | 163 | 0,3 | 0,4

Результати теоретичних досліджень, одержані в дисертаційній роботі, дозво-лили розраху-вати параметри віброзахисної системи експериментальної установки, спроектувати поліп-шений КДВГ на основну гармоніку вібрації, здійснити синтез віброзахисної системи експе-риментальної установки з КДВГ. Частота обертання вала ПД регулюється зміною напруги. Результати вимірів вібропереміщень на частотах обертання вала ПД f1 = 2100, f2 =2400 і f3 = 2850 об/хв наведені в табл.5.

Аналіз результатів, наведених у табл.3–5, показав:–

використання КДВГ у сис-темі віброзахи-сту експери-мента-льної уста-новки забезпе-чує при-близну рівність амплі-туд на час-тоті на-строювання у всіх точках, де встановлені ві-брогас-ники;

Порівняння розрахункових та експериме-нтальних результатів дозволяє зробити ви-сновок про вірогідність теоретичних розробок. Виготовлення спроектованої САУ КДВГ та її випробу-вання на експериментальних установках відзначають поліпшену ефективність ві-брогашення порівняно з базовим варіантом.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Проведені в дисертаційній роботі дослідження з аналізу та синтезу вібро-захисних систем машин і механізмів СЕУ з КДВГ відповідно до постановки задачі дозволили: –

проаналізувати динамічні явища, що відбуваються в коливальній сис-темі, яка склада-ється з вібруючого об'єкта і системи віброізоляції, при інерцій-ному впливі керованих вібро-гасників на поверхні елементів, де вони закріп-лені;–

проаналізувати характеристики керованих динамічних віброгасників при зміні форми полюсів у їхньому виконавчому пристрої;–

розробити методику синтезу віброзахисних систем машин і механізмів СЕУ від низько-частотної вібрації;–

розробити керований динамічний віброгасник з поліпшеними масогаба-ритними і дина-мічними характеристиками;–

створити систему керування частотним настроюванням керованого ди-намічного вібро-гасника з використанням дискретних програмованих мікроко-нтролерів;–

удосконалити методику проектування виконавчого пристрою керованого динамічного віброгасника;–

розробити програмне забезпечення, за допомогою якого можливий вибір параметрів виконавчого пристрою керованого динамічного віброгасника;–

розробити програмне забезпечення, в основі якого лежить математична модель розра-хунку коливань просторової динамічної структури з n-ступенями вільності. Це дозволяє здійснювати вибір параметрів системи віброзахисту машин і механізмів СЕУ від низькочас-тотної вібрації.

Дослідження систем віброзахисту машин і механізмів СЕУ дозволяють зробити наступні висновки:–

віброгасники, розташовані на проміжній платформі двокаскадної сис-теми віброізоляції машин і механізмів СЕУ, здатні в 10–20 разів знизити рівень вібрацій, що передаються на фундамент;–

віброгасники, які мають один ступінь вільності, можна так розташувати на проміжній платформі двокаскадної системи віброізоляції машин і механіз-мів СЕУ, що при істотному зниженні рівня вібрації, переданої фундаментам уздовж однієї осі обраної системи коорди-нат, рівні вібрацій уздовж двох інших осей координат не будуть збільшуватися;–

введення в ядро інтегральних рівнянь закону повного струму при скла-данні їх для роз-поділу потенціалу простого шару вторинних джерел на границі розподілу середовищ дозво-ляє поліпшити збіжність рішень у розрахунку сило-вих властивостей виконавчого пристрою керованого динамічного віброгас-ника;–

трапецеїдальна форма полюсів у виконавчому пристрої керованого ди-намічного вібро-гасника надає можливість на 70 % розширити його частотний діапазон чи при тому ж діа-пазоні зменшити масу і габарити.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні положення дисертації викладені в наступних роботах:

1.Гуров А.П., Шарейко Д.Ю. До питання розрахунку прорізних мембран в керованому динамічному віброгаснику // Науковий вісник МДПУ. – Мико-лаїв: МДПУ, 1999.–Вип.1.– С.135–138.

2.Гуров А.П., Шарейко Д.Ю. К вопросу расчета параметров виброзащит-ных систем энергетического оборудования // Сб. науч. тр. УГМТУ – Нико-лаев: УГМТУ, 1999. –№ 4(364).– С.62–71.

3.Гуров А.П., Шарейко Д.Ю. Некоторые особенности проектирования ис-полнительного устройства управляемого виброгасителя электромагнитного типа // Проблемы создания но-вых машин и технологий. – Научные труды КГПИ, Кременчуг: 2000.–Вып.1(8).– С.257–261.

4.Гуров А.П., Чудайкин И.И., Шарейко Д.Ю. До питання підвищення стійкості рішень інтегральних рівнянь при розрахунках параметрів керованих динамічних віброгасників // Електромашинобудування та електрообладнання: Респ. Міжвід. науково-техн. зб.–К.: Техніка, 2000.–Вип.54.–С.39–42.

5.Гуров А.П., Чудайкін І.І., Шарейко Д.Ю. До питання розрахунку елект-ромагнітних зусиль у польових задачах // Зб. наук. пр. УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2000. – № 4 (370). – С.141–146.

6.Гуров А.П., Шарейко Д.Ю. Методичні вказівки до виконання лаборатор-них робіт з курсу “Вібротехнічні керовані системи”.– Миколаїв: УДМТУ, 2001.–Ч.1.–32 с.

7.Гуров А.П., Шарейко Д.Ю. Методичні вказівки до виконання лаборатор-них робіт з курсу “Основи вібротехніки”.– Миколаїв: УДМТУ, 2001.–56 с.

8.Деклараційний патент на винахід. Україна 38761 А, Керований ди-намічний віброгасник/ А.П.Гуров, Д.Ю.Шарейко, О.О.Черно, Д.Л.Кореневський; Опубл. 15.05.2001; Бюл. № 4.

9.Деклараційний патент на винахід. Україна 38798 А, Вібродвигун/ А.П.Гуров, Д.Ю.Шарейко, О.О.Черно, Д.Л.Кореневський; Опубл.15.05.2001; Бюл. № 4.

10.Деклараційний патент на винахід. Україна 40972 А, Керований ди-намічний віброгасник/ А.П. Гуров, Д.Ю.Шарейко, О.О.Черно, Д.Л.Кореневський, Ю.О.Алфьоров; Опубл. 15.08.2001; Бюл. № 7.

11.Деклараційний патент на винахід. Україна 43235 А, Складений віброі-золятор/ А.П.Гуров, Д.Ю.Шарейко, О.О.Черно, Д.Л.Кореневський; Опубл. 15.11.2001; Бюл. № 10.

12.Запорожец Ю.М., Кроль В.И., Шарейко Д.Ю. Математическая модель обнаружения и идентификации подводных ферромагнитных объектов // Элек-трооборудование судов: Сб. науч. тр. – Николаев: НКИ, 1992. – С.84–89.

13.Управление частотной настройкой управляемого динамического виб-рогасителя А.П.Гуров, Д.Ю.Шарейко, А.А.Черно, Д.Л.Кореневский // Вісник СНУ. – Луганськ: СНУ, 2002. – № 1(47). –С.28–34.

14.Шарейко Д.Ю., Кореневский Д.Л. Исследование виброзащитных структур электромеханических и электроэнергетических установок // Поблемы создания новых машин и технологий.– Научные труды КГПУ, Кременчуг: КГПУ, 2001.–Вып.1(10).–С.229–233.

15.Шарейко Д.Ю. Расчет тангенциальных усилий, создаваемых электро-магнитным полем в управляемом динамическом виброгасителе // Зб. наук. пр. УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 1999. – № 3. – С.125–132.

16.Шарейко Д.Ю. Синтез віброзахисних структур // Фундаментальна і професійна підготовка вчителів з фізики: Матеріали VІ Всеукр. Конф. – Мико-лаїв: МДПУ, 2001. – C.205–212.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві. У роботах, що опубліковані в співавторстві дисертанту нале-жать такі результати:–

у статті [1] наведені розробка алгоритмів прикладних програм для розра-хунку прорізних мембран у керованому динамічному віброгаснику, прове-дення чисельного експерименту і висновки;

–у роботах [2,3] приведена розробка математичних моделей для розраху-нку параметрів віброзахисних систем енергетичного устаткування, парамет-рів керованих динамічних систем енергетичного устаткування, параметрів керованих динамічних віброгасників, розробка алгоритмів додаткових про-грам, результати проведення чисельного експерименту і висновки; –

у роботах [4,5] – розробка методики поліпшення стійкості рішень інтег-ральних рівнянь для розрахунку силових взаємодій у виконавчому пристрої керованого динамічного віброгасника, розробка пакета прикладних програм, проведення чисельного експерименту і висновки;–

у [6] розроблені лабораторні роботи № 2-4, –

у [7] – лабораторні роботи № 3-6. –

у роботі [12] – розробка методики розширення сітки електромагнітних вимірів для пошуку феромагнітних аномалій, розробка пакета прикладних програм, проведення чисельного експерименту і висновки;

–у статті [13] – розробка математичної моделі для розрахунку сили струму в обмотці виконавчого пристрою керованого динамічного віброгас-ника й алгоритмів програм для мікроконтролера;–

у статті [14] наведені постановка задачі досліджень, розробка експериме-нтальної установки для дослідження динамічних явищ, що відбуваються в коливальній системі, що складається з вібруючого об'єкта і системи віброі-золяції, при інерційному впливі керованих віброгасників на поверхні елеме-нтів, де вони закріплені, обробка результатів і висновки.

При підготовці заяв на винахід:–

у [8,9,11] здобувач здійснював розробку математичної моделі для розра-хунку розмірів полюсів у виконавчому пристрої керованого динамічного ві-брогасника, розраховував параметри винаходів, підготовляв і проводив екс-перимент, підготовляв ескізні креслення;–

у [10,11] розробляв математичні моделі для розрахунків коливань у скла-дних динамічних структурах, розраховував параметри винаходів, підготов-ляв ескізні креслення.

АНОТАЦІЇ

Шарейко Д.Ю. Синтез віброзахисних систем суднових енергетичних уста-новок з керованими динамічними віброгасниками. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.05 – Суднові енергетичні установки. – Український держа-вний морський технічний університет, Миколаїв 2002.

У дисертації запропоновано нові методи розрахунку параметрів віброза-хисних систем допоміжного енергетичного устаткування СЕУ з керованими динамічними віброгасниками.

Ця методика ґрунтується на теорії пружних деформацій, частотних мето-дах, методах матричного числення, а також методах інтегральних рівнянь.

Одержані результати теоретичних і практичних досліджень аргументовано доводять адекватність розроблених математичних моделей, а також значну пе-ревагу запропонованих методів над традиційними.

Розроблена методика проектування полюсів у виконавчому пристрої КДВГ дозволяє виготовити віброгасник з розширеним діапазоном регулю-вання, що підтверджено експериментом. Використання програмованих мікро-контролерів у САУ частотним настроюванням КДВГ дозволяє поліпшити ди-намічні і масогабаритні характеристики САУ КДВГ.

Ключові слова: динамічна структура, система віброзахисту устатку-вання, просторова математична модель, матриця коефіцієнтів жорсткос-тей, розташування віброгасників, кількість віброгасників, трапецеїдальна фо-рма полюсів, коефіцієнт електромагнітної жорсткості, керований динаміч-ний віброгасник, виконавчий пристрій.

Шарейко Д.Ю. Синтез виброзащитных систем судовых энергетических установок с управляемыми динамическими виброгасителями. – Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 – Судовые энергетические установки. – Украинский государственный морской технический университет, Николаев 2002.

В диссертации рассмотрена проблема синтеза виброзащитных систем су-довых энергетических установок с использованием в виброзащитной структуре управляемых динамических виброгасителей.

Предложены новые методы расчета параметров виброзащитных систем вспомогательного энергетического оборудования СЭУ с управляемыми дина-мическими виброгасителями. Эти методы основаны на теории упругих дефор-маций, частотных методах, методах матричного исчисления, а также методах интегральных уравнений. В общем случае порядок системы дифференциаль-ных уравнений – 6n x 6n, где n – количество объектов в динамической струк-туре.

Предложены новые методики формирования матриц коэффициентов в ди-фференциальных уравнениях, описывающих колебания динамической струк-туры с n-степенями свободы. Предложенная методология позволила свести за-дачу составления дифференциальных уравнений для виброзащитной струк-туры с виброгасителями к проблеме формирования матриц коэффициентов же-сткостей и вязких сопротивлений и решить задачу выбора количества виброга-сителей и мест их креплений в системе виброзащиты машин и механизмов. Разработанная методика