Наблюдаемая в последние десятилетия тенденция уменьшения веса конструкций различных транспортных средств при одновременном увеличении мощности их энергетических установок, приводит к значительному росту уровней вибраций на этих транспортных средствах. Вибрация и шум машин неизбежно приводят к снижению производительности труда. Вредное воздействие производственных вибраций заключается еще и в том, что они, распространяясь, разрушают другие машины и сооружения, нарушают технологический процесс и искажают показания контрольно-измерительной аппаратуры.
Особенно вредно вибрация влияет на человека, вызывая различные заболевания. Шум и вибрация машин и механизмов – важнейшие показатели совершенства устройств, механизмов и конструкций.
Основными источниками вибраций на судах являются судовые энергетические установки (главный двигатель, дизель-генераторы), а также гребной винт, валопровод, некоторые производственные механизмы.
Существует множество способов уменьшения вибрации – это динамическое уравновешивание двигателей, применение динамических гасителей колебаний, активные виброзащитные системы с дополнительным источником вибрации и т.д. Наибольшее распространение получила виброизоляция, выполняемая в виде резинометаллических амортизаторов. Такие виброизоляторы достаточно просты, надежны, имеют невысокую стоимость, но они малоэффективны, так как для существенного снижения передаваемых вибраций они должны иметь малый коэффициент жёсткости, а для обеспечения соосности сочленяемых механизмов их коэффициент жёсткости должен быть достаточно большим.
Наиболее перспективным методом снижения уровней вибраций на судах является применение виброизолирующих устройств с плавающим участком нулевой жёсткости. Принцип работы таких устройств показан на рисунке 1 [1]. При ограниченных значениях виброизолирующего хода подвески Н и при заданном диапазоне изменения усилий от Pmax до Pmin, передаваемых от защищаемого объекта вибрирующему, силовые характеристики виброизолирующих устройств, обеспечивающих идеальную виброизоляцию, представляют собой бесконечное множество отрезков прямых, равных по длине размаху колебаний, параллельных оси абсцисс и расположенных своими серединами на отрезке АВ прямой, наклоненной к оси абсцисс под углом.
В таких виброизоляторах параллельно упругим элементам включают так называемые компенсаторы, имеющие падающие силовые характеристики (то есть отрицательный коэффициент жёсткости) и позволяющие снизить суммарную жёсткость подвески вплоть до нуля [1].
На сегодняшний день разработано большое количество конструкций компенсаторов, однако они не отвечают современным требованиям виброизоляции. Из известных, наиболее эффективным следует считать электромагнитный компенсатор жёсткости (ЭКЖ) [2], так как он наиболее полно отвечает требованиям идеальной виброизоляции как при постоянных по величине, так и при произвольно меняющихся нагрузках. Это объясняется тем, что у электромагнитного компенсатора жёсткости нет взаимодействующих частей, а, следовательно, нет сил трения и износа деталей. У него также отсутствуют промежуточные подвижные массы, следовательно, дополнительные силы инерции. Электромагнитный компенсатор жёсткости, снабженный быстродействующей системой перестройки, перераспределяющей напряжение на электромагнитах при изменении нагрузки, обеспечивает «плавание» участка нулевой жёсткости на силовой характеристике виброизолятора.
Электромагнитный компенсатор жёсткости, изображенный на рисунке 3, включается параллельно упругому элементу 3 и представляет собой два встречно включенных электромагнита постоянного тока, жёстко закрепленных на защищаемом объекте 2, общий якорь 10 которых жёстко связан с вибрирующим объектом 1. Благодаря тому, что тяговые усилия электромагнитов направлены встречно, силовая характеристика компенсатора имеет падающий вид, то есть, компенсатор имеет отрицательный коэффициент жёсткости. Силовая характеристика ЭКЖ, показана на рисунке 4, она имеет нелинейный вид. Однако установлено, что, чем больше расстояние между полюсами электромагнитов, тем с большей точностью силовую характеристику на рабочем участке можно считать линейной, но при этом их габариты и мощность будут значительными. Но в [3] показано, что при уменьшении межполюсного расстояния, снижаются мощность и габариты компенсатора при том же коэффициенте жёсткости, что упрощает размещение виброизоляторов в подвесках судовых энергетических установок. Хотя силовую характеристику компенсатора при этом нельзя считать линейной, упомянутые выше достоинства предопределяют использование именно таких устройств в подвесках судовых энергетических установок.
В состав виброизолирующей подвески для обеспечения плавания участка нулевой жёсткости при изменении усилий от Pmax до Pmin, передаваемых от защищаемого объекта вибрирующему, электромагнитный компенсатор жёсткости снабжен системой перестройки. Система перестройки электромагнитного компенсатора жёсткости перераспределяет напряжения на катушках электромагнитов при изменении нагрузки.
В [4] установлено, что закон изменения напряжения на электромагнитах при изменении относительного положения вибрирующего и защищаемого объектов может быть как линейным, так и нелинейным (рисунки 5 и 6).
На основании уравнения равновесия сил, действующих в виброизолирующей подвеске с линейной и нелинейной системами перестройки, в программе Matlab проведено моделирование данной подвески. Моделирование виброизолирующей подвески с ЭКЖ в обоих случаях систем перестройки показало, что система устойчива только при введении корректирующего звена, имеющего вторую степень производной. Подбором параметров корректирующего звена можно задавать желаемые динамические свойства виброизолирующей системы. Однако заведомо нельзя сказать, применение какой системы перестройки окажется предпочтительным, поэтому для каждой проектируемой подвески необходимо отдельно рассчитывать и проверять оптимальную систему перестройки. Расчеты и моделирование показали, что для подвески с нелинейным компенсатором характерен режим автоколебаний, причем амплитуды автоколебаний соизмеримы с амплитудами вынужденных колебаний, а частоты автоколебаний на 2, 3 порядка ниже частот вибрации, то есть, виброускорения, создаваемые автоколебаниями, не оказывают существенного влияния на уровень общесудовой вибрации. При помощи корректирующего звена можно свести автоколебания до пренебрежимо малых величин.
Моделирование показало, что введение рассматриваемого электромагнитного компенсатора жёсткости с автоматической системой перестройки позволяет снизить уровни виброускорений, передаваемых от работающих двигателя внутреннего сгорания на защищаемое основание в (10 – 200) раз (большие значения – в области резонанса обычной подвески), в сравнении с обычным виброизолятором. Это говорит об эффективности использования виброизолирующих подвесок с перестраивающимися электромагнитными компенсаторами жёсткости.
На основании разработанной в ФГОУ ВПО «НГАВТ» методики на ФГУП ПО «Север» была изготовлена и испытана модель виброизолятора с электромагнитным компенсатором жёсткости и с линейной системой перестройки [5].
Рис. 7 - Модель виброизолятора с электромагнитным компенсатором
жёсткости
Проведенные испытания этой виброизолирующей подвески (рисунок 8) показали, что виброзащитное устройство с перестраивающимся электромагнитным компенсатором жёсткости в диапазоне частот от 4 до 128 Гц снижает уровни виброускорений на 20 – 55 дБ, а на частотах, где обычный виброизолятор имеет резонанс, виброускорения снижаются практически до нуля.
|
Рис. 8 - Характеристики виброизолятора
при амплитуде перемещений вибростола 0,5 мм:
1 – без компенсатора жёсткости; 2 – с электромагнитным компенсатором
жёсткости при напряжении 6 В; 3 – с системой перестройки
Проведенные испытания показали работоспособность и эффективность виброизоляторов с электромагнитными компенсаторами жёсткости в виброизолирующих подвесках судовых энергетических установок.
Литература
1 Зуев, А. К. Вибрации машин и пути их виброизоляции [Текст] / А.К. Зуев // Вопросы виброизоляции судовых механизмов и машин : сб. науч. тр. / Новосиб. ин-т инженеров вод. трансп. – Новосибирск, 1983. – С. 6 – 18.
2 Гросс, В. Ю. Электромагнитный компенсатор жёсткости [Текст] / В.Ю. Гросс, В.А. Чирков, А.Ю. Крылов // Виброизоляция судовых силовых установок : сб. науч. тр. / Новосиб. ин-т инженеров вод. трансп. – Новосибирск, 1985. – С. 31 – 34.
3 Гурова, Е. Г. К зависимости мощности электромагнитного компенсатора жёсткости от межполюсного расстояния [Текст] / Е.Г. Гурова, Б.З. Кузнецов // Научные проблемы Сибири и Дальнего Востока : сб. науч. тр. / Новосиб. гос. акад. вод. трансп. – Новосибирск, 2006. – № 2. – С. 258 – 260.
4 Гурова, Е. Г. К определению закона регулирования напряжения нелинейного электромагнитного корректора жёсткости [Текст] / В.Ю. Гросс, Е.Г. Гурова // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока : сб. науч. тр. / Новосиб. гос. акад. вод. трансп. – Новосибирск, 2007. – № 2. – С. 98 – 10.
5 Гурова, Е. Г. Результаты испытаний виброизолятора с электромагнитным компенсатором жёсткости [Текст] / Е.Г. Гурова, В.Ю. Гросс // Сибирский научный вестник / Новосиб. гос. акад. вод. трансп. – Новосибирск, 2008. – № 11. – С. 68 – 70.
