CC BY
56
УДК 629.12.037.4 ББК 34.41
М. Н. Покусаев, К. О. Сибряев, М. М. Горбачёв
АНАЛИЗ СПЕЦИФИКИ УПРАВЛЕНИЯ ДЕМПФЕРОМ ДИЗЕЛЯ НА ОСНОВЕ МОДЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЖИДКОСТНЫХ СРЕД
M. N. Pokusaev, K. O. Sibryaev, M. M. Gorbachev
ANALYSIS OF PECULIARITIES OF DIESEL DAMPER CONTROL ON THE BASIS OF SPECIAL FLUID MODEL TESTING
Проведены сравнительные испытания демпфера крутильных колебаний на экспериментальном стенде с двумя видами наполнителей - полиметилсилоксановой жидкостью (ПМС) и магнитной жидкостью (МЖ). Были проведены расчет стенда и испытания на крутильные колебания и обозначены границы исследований по резонансным частотам 25,6...30,3 Гц.
Для проведения исследований использовались жидкости ПМС-1000 и МЖ-131 с кинематической вязкостью 1000 и 1100 сСт. Получены данные по снижению резонансных напряжений от крутильных колебаний для обеих жидкостей. При использовании ПМС-1000 снижение резонансных напряжений составило 2,68, для МЖ-131 - 2,67, поведение обеих жидкостей представлено в виде графиков. Резонансная частота колебаний при использовании ПМС-1000 и МЖ-131 составила соответственно 28,6 и 27,8 Гц.
Ключевые слова: демпфер крутильных колебаний; магнитная жидкость; управляемый демпфер.
The authors conducted comparative testing of torsional vibration dampers on a test bed with two kinds of fluid - polymethylsiloxane fluid (PMF) and magnetic fluid (MF). The test bed and tests conducted on torsional vibration were calculated and the boundaries for the research of resonance frequency were marked. For the research, the fluids PMF-1000 and MF-131 with kinematic viscosities of 1000 and 1100 cSt correspondingly were used. Data for reduction of resonance stress of torsional vibrations for both fluids were obtained. Using PMF-1000 resulted in the reduction of stress by 2.68 and 2.67 for MF-131. The behavior of both fluids is presented in graphs. Resonance frequency of vibrations for using PMF-1000 and MF-131 was 28.6 and 27.8 Hz correspondingly.
Key words: torsional vibration damper, magnetic fluid, controllable damper.
Введение
Изучение крутильных колебаний в судовых валопроводах и поиск решений по их устранению являются актуальной задачей.
Универсального решения по устранению крутильных колебаний нет, поскольку схемы машинно-движительных комплексов (МДК) судов разнообразны, как и условия их работы. Одним из решений по снижению крутильных колебаний является установка демпфера с наполнителем из силиконовой жидкости. При создании демпфера с изменяемой вязкостью жидкости наполнителя (вязкость влияет на демпфирующие характеристики) в зависимости от внешнего воздействия возможно создание автоматизированного универсального демпфера, способного настраиваться на резонансную частоту колебаний в МДК.
Экспериментальный стенд испытательного центра Marine Technology Service и система измерения
Нами исследовалось применение магнитной жидкости (МЖ) в демпфере крутильных колебаний, т. е. жидкости, вязкость которой изменяется от воздействия внешнего магнитного поля. Поскольку вязкость наполнителя оказывает влияние на способность демпфера снижать крутильные колебания [1-3], это позволит управлять характеристиками демпфера.
Исследования проводились на экспериментальном стенде в лаборатории испытательного центра Marine Technology Service (ИЦ MTS) Астраханского государственного технического университета. Центр и его оборудование имеют аккредитацию Российского морского регистра судоходства и Российского речного регистра на техническую компетентность в области проведения испытаний МДК на крутильные колебания.
Экспериментальный стенд представлен на рис. 1.
Рис. 1. Состав экспериментального стенда ИЦ MTS: ПТ - привод тахометра;
ГПТ - генератор постоянного тока; ФМ - фланцевая муфта; БМ - большая муфта;
ИК - измерительный комплекс Astech Electronics; ВАЛ - вал; ММ - малый маховик;
ДПТ - двигатель постоянного тока; МД - модельный демпфер
Стенд моделирует крутильные колебания в МДК. Колебания создает двигатель постоянного тока с периодом цикла Тц. Генератор постоянного тока служит для создания тормозного момента. Для получения больших по величине напряжений стенд построен с применением валов с малым диаметром и большой промежуточной маховой массой, величина крутильных колебаний регистрируется при помощи измерительного комплекса Astech Electronics (рис. 2), который фиксирует растяжение или сжатие тензометрических датчиков.
Рис. 2. Схема расположения элементов измерительного комплекса Astech ЕІеСхоп^ на экспериментальном стенде
Полученные данные рассчитываются в программном комплексе в виде напряжений в МПа.
Исследования модельного демпфера с полиметилсилоксановой жидкостью и магнитной жидкостью
Целью нашего исследования было сравнение результатов применения полиметилсилоксановой жидкости (ПМС) и МЖ в модельном демпфере.
Конструкция модельного демпфера показана на рис. 3.
Рис. 3. Конструкция и параметры модельного демпфера
По методике, изложенной в [1], был произведен расчет стенда на крутильные колебания и определено место расположения узла при одноузловой форме колебаний.
Далее были определены резонансные частоты колебаний N для двух условий: при использовании модельного демпфера без маховика и с застопоренным маховиком. Были проведены эксперименты для подтверждения результатов расчета. Результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1
Значения расчетных и экспериментальных значений частоты колебаний для стенда ИЦ MTS
Состояние демпфера Форма колебаний Расчетная резонансная частота колебаний Лр, Гц Резонансная частота колебаний по эксперименту Лр, Гц Разница по значениям, %
Маховик отсутствует Одноузловая 31,87 3Q,3 4,9
Маховик застопорен Одноузловая 25,5 25,6 Q,4
Далее нами была поставлена задача по сравнению демпфирования колебаний при применении ПМС и МЖ в модельном демпфере стенда.
В качестве ПМС была использована жидкость ПМС-1000, поскольку в ходе ранее проведенных исследований [2-3] данная жидкость показала эффективное снижение крутильных колебаний, возникающих в стенде. Нами был проведен подбор МЖ в качестве наполнителя для модельного демпфера. Выбор МЖ проводился по следующим критериям:
- основой для МЖ должна служить ПМС или близкая по своим свойствам полиэтилси-локсановая жидкость (ПЭС);
- вязкость МЖ в состоянии без влияния внешнего магнитного поля должна составлять порядка 1000-1100 сСт.
После проведения поиска и анализа была выбрана магнитная жидкость МЖ-131 производства ООО «Аквасил» (г. Москва). Характеристики МЖ-131, согласно паспорту качества [4] и ТУ 2229-001-51032852-2002, и ПМС-1000, согласно [5], приведены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики жидкостей МЖ-131 и ПМС-1000
Показатель Значение
Внешний вид Однородная масса черного цвета Бесцветная прозрачная жидкость
Плотность при температуре 20 °С, кг/м3 1200-1600 980
Намагниченность, кА/м 10-65 0
Кинематическая вязкость при температуре 20 °С, сСт 1000-1100 950-1050
Токсичность Нетоксична Нетоксична
Состав 70 % - ПЭС, 20 % - ферромагнетик; 10 % - олеиновая кислота 100 % - ПМС
Размер частиц магнетика 10-15 нм -
Далее нами были проведены сравнительные исследования крутильных колебаний на стенде с демпфером, в котором в качестве наполнителя использовались силиконовая жидкость ПМС-1000 и магнитная жидкость МЖ-131 (в свободном состоянии - без влияния магнитного поля).
Параметры стенда при проведении исследований во всех случаях:
- частота вращения вала п = 90-100 об/мин;
- сила тока в ДПТ 1э = 11,5 А;
- напряжение в ДПТ иэ = 12 В;
- тормозной момент в ГПТ отсутствовал.
Результаты экспериментов представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты экспериментов
Состояние модельного демпфера Резонансная частота колебаний Гц Напряжения в валу г, МПа
Маховик застопорен 25,6 7,76
МЖ-131 27,8 3,11
ПМС-1000 28,6 3,1
Маховик отсутствует 30,3 8,32
Графики развития напряжений представлены на рис. 4.
г. МПа
Рис. 4. Графики развития напряжений в валу экспериментального стенда (Ы - частота колебаний)
Из графиков видно, что снижение напряжений происходит практически идентично, идентичен также и характер графика развития напряжений при применении ПМС-1000 и МЖ-131. Это говорит о возможности применения МЖ-131 для снижения крутильных колебаний в жидкостных демпферах. Снижение значений максимальных напряжений при резонансе при применении МЖ-131 составило 2,67, при применении ПМС-1000 - 2,68. Это объясняется тем, что значения вязкости МЖ-131 и ПМС-1000 практически одинаковы, а их разница не влияет на демпфирующие характеристики.
Отметим факт, который был выявлен в период исследований: МЖ чрезвычайно пачкает любые поверхности (что не дает проводить полноценные исследования с использованием прозрачных поверхностей). Это хорошо видно на рис. 5.
Рис. 5. Магнитная жидкость в модельном демпфере
Выводы
Таким образом, согласно результатам исследований:
- применение магнитной жидкости на основе ПЭС позволяет снизить крутильные колебания;
- демпфирующие характеристики демпфера при использовании ПМС-1000 и МЖ-131 практически идентичны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Терских В. П. Крутильные колебания валопровода силовых установок / В. П. Терских. Л.: Судостроение, 1977. Т. 1-4.
2. Покусаев М. Н. Демпфирование крутильных колебаний в валах судовых дизелей: моделирование, экспериментальные и натурные исследования / М. Н. Покусаев: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Астрахань, 2005. 40 с.
3. Глухов А. Н. Исследование функциональных свойств силиконовых демпферов судовых дизелей для решения задач диагностики / А. Н. Глухов: дис. ... канд. техн. наук. Астрахань, 2006. 120 с.
4. Паспорт качества на магнитную жидкость МЖ-131. М.: ООО «Аквасил», 2013. 2 с.
5. ГОСТ 13032-77. Жидкости полиметилсилоксановые. М.: Изд-во стандартов, 1997. 16 с.
REFERENCES
1. Terskikh V. P. Krutil'nye kolebaniia valoprovoda silovykh ustanovok [Torsional vibrations of shaft lines of power installations]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1977. Vol. 1-4.
2. Pokusaev M. N. Dempfirovanie krutil'nykh kolebanii v valakh sudovykh dizelei: modelirovanie, eksperi-mental'nye i naturnye issledovaniia. Avtoreferat dis. dok. tekhn. nauk [Damping of torsional vibrations in shafting of marine diesels: modeling, experimental and natural researches. Abstract of dis. doc. tech. sci.]. Astrakhan, 2005. 40 p.
3. Glukhov A. N. Issledovanie funktsional'nykh svoistv silikonovykh dempferov sudovykh dizelei dlia resh-eniia zadach diagnostiki. Dis. kand. tekhn. nauk [Study of functional properties of silicon dampers of marine diesels for diagnostic tasks solution. Dis. doc. tech. sci.]. Astrakhan, 2006. 120 p.
4. Pasport kachestva na magnitnuiu zhidkost’ MZh-131 [Passport of quality for magnetic fluid MF-131]. Moscow, OOO «Akvasil», 2013. 2 p.
5. GOST 13032-77. Zhidkosti polimetilsiloksanovye [State Standard 13032-77. Polymethylsiloxane fluids]. Moscow, Izd-vo standartov, 1997. 16 p.
Статья поступила в редакцию 19.03.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Покусаев Михаил Николаевич - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Эксплуатация водного транспорта»; [email protected].
Pokusaev Mikhail Nikolayevich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department "Operation and Maintenance of Water Transport"; [email protected].
Сибряев Константин Олегович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Эксплуатация водного транспорта»; [email protected].
Sibryaev Konstantin Olegovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Operation and Maintenance of Water Transport"; [email protected].
Горбачёв Максим Михайлович - Астраханский государственный технический университет; старший преподаватель кафедры «Эксплуатация водного транспорта»; [email protected].
Gorbachev Maxim Mikhailovich - Astrakhan State Technical University; Senior Lecturer of the Department "Operation and Maintenance of Water Transport"; [email protected].
