Виброизолирующие подвески транспортных энергетических установок с нелинейными электромагнитными компенсаторами жесткости: проектирование и расчет


Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



Е.Г. ГУРОВА

ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИЕ ПОДВЕСКИ ТРАНСПОРТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ КОМПЕНСАТОРАМИ ЖЕСТКОСТИ: ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ

Монография






НОВОСИБИРСК
2012

УДК 621.431.74-752.8:656.6.001.2
      Г 955




Рецензенты:
канд. техн. наук, профессор ФБОУ ВПО «НГАВТ» В.Ю. Гросс д-р техн. наук, профессор ФБОУ ВПО «НГАВТ» Ю.В. Дёмин канд. техн. наук, доцент НГТУ В.В. Бирюков





      Гурова Е.Г.
Г 955 Виброизолирующие подвески транспортных энергетических установок с нелинейными электромагнитными компенсаторами жёсткости : проектирование и расчет : монография / Е.Г. Гурова. -Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012. - 156 с.

          ISBN 978-5-7782-2041-6

          Рассмотрены расчет и проектирование виброизолирующих подвесок энергетических установок с нелинейными электромагнитными компенсаторами жесткости. Предложена методика проектирования виброизолирующих подвесок.
          Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией виброизолирующих устройств энергетических установок, а также преподавателей, аспирантов и студентов вузов.









УДК 621.431.74-752.8:656.6.001.2


ISBN 978-5-7782-2041-6

                     © Гурова Е.Г., 2012

                     © Новосибирский государственный технический университет, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение......................................................5
1. ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК - ОДИН ИЗ СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ОБЩЕЙ ВИБРАЦИИ...................................................7
  1.1. Влияние вибрации на транспортные средства и основные источники вибрации..............................................7
  1.2. Нормативные документы, регламентирующие уровни вибрации, и влияние вибрации на организм человека....................10
  1.3. Способы снижения уровней вибраций, передаваемых от транспортных энергетических установок.........................13
  1.4. Типы компенсаторов жесткости виброизолирующих подвесок.21
  Выводы.....................................................33
2. ПАРАМЕТРЫ И СВОЙСТВА НЕЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОМПЕНСАТОРА ЖЕСТКОСТИ............................34
  2.1. Выбор типа электромагнитов для компенсатора жесткости.34
  2.2. Описание силовой характеристики нелинейного электромагнитного компенсатора жесткости..............................42
  2.3. Закон регулирования напряжения линейной и нелинейной системы перестройки компенсатора жесткости....................47
  Выводы.....................................................52
3. ОПИСАНИЕ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩЕЙ ПОДВЕСКИ С НЕЛИНЕЙНЫМ КОМПЕНСАТОРОМ ЖЕСТКОСТИ И ЕЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА..................................................53
  3.1. Суммарный закон изменения напряжения на электромагнитах при использовании нелинейной системы перестройки...........53
  3.2. Математическая модель виброизолирующей подвески с автоматической системой перестройки..............................58
  3.3. Проверка на наличие автоколебаний в виброизолирующей системе с нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости.65
  3.4. Моделирование виброизолирующей подвески с компенсатором жесткости и линейной системой перестройки................74
  3.5. Моделирование виброизолирующей подвески с компенсатором жесткости и нелинейной системой перестройки..............84
  Выводы.....................................................92

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОИЗОЛЯТОРА С НЕЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТ  НЫМ КОМПЕНСАТОРОМ ЖЕСТКОСТИ............................93
  4.1. Основные параметры виброизолирующей подвески......93
  4.2. Конструкция виброизолирующей подвески с электромагнитным компенсатором жесткости...............................106
  4.3. Используемая аппаратура..........................110
  4.4. Испытания виброизолирующей подвески с электромагнитным компенсатором жесткости и системой перестройки........113
  Выводы................................................121
Заключение..............................................122
Библиографический список................................124
Приложение..............................................132

                ВВЕДЕНИЕ




   В настоящее время к транспортным средствам как к источникам вибрации и шума предъявляются высокие требования. Это обусловлено не только экологическими соображениями, когда норматив по уровням вибрации окружающей среды значительно превышается, но и техническими причинами, например чувствительностью к вибрации и шумам, и выходами из строя различных приборов и электроники, все более насыщающих транспортные средства и другие виброактивные установки и оборудование. Согласно действующему ГОСТ 24346-80, вибрация - это движение точки или механической системы, при котором происходят колебания характеризующих его скалярных величин.
   Проблема вибрации и шума мобильных машин становится все более острой в связи с ростом профессиональных заболеваний водителей и лиц, эксплуатирующих виброактивное оборудование, а также в связи с возрастанием доли шума, производимого транспортными средствами в общем объеме шумности и вибрации, излучаемом машинами и механизмами, и требует системного, масштабного подхода к ее решению.
   Вибрация на судах, например, приводит к снижению прочности сварных соединений силового набора и обшивки, к образованию трещин в силовом наборе, фундаменте, к поломке валопроводов, навешенного на двигатели оборудования, к снижению надежности и точности электронной аппаратуры, навигационных систем и гидроакустических приборов. На судах наибольшие колебания испытывают кормовые оконечности корпусов (в районе гребных винтов), перекрытия машинных отделений и надстройки (жилые, производственные и общественные помещения).
   Основные источники шума и вибрации на транспортных средствах - это энергетические установки (главные двигатели, ДВС, дизель-генераторы), движители, электрические машины, насосы, вентиляторы, гидравлические и воздушные системы, валопровод, а также волнение моря, неровности дорог и т. д.
   На сегодняшний день существует множество способов уменьшения вибрации: динамическое уравновешивание двигателей, применение динамических гасителей колебаний, активные виброзащитные системы с дополнительным источником вибрации и т. д. Например, чтобы снизить

передаваемую от судовых двигателей вибрацию, их устанавливают на виброизоляторы. Виброизоляторы (как правило, резинометаллические) имеют простую конструкцию, достаточно надежны и практически не требуют обслуживания. Однако существующие пассивные виброизоляторы не отвечают современным требованиям виброизоляции. В локомо-тивостроении, автомобилестроении уровни вибрации уменьшают установкой двигателя на упругие элементы (пружины, рессоры) большой жесткости. Но применяемые средства виброзащиты не снижают уровней вибрации до санитарных норм. Самый же перспективный метод снижения уровней вибраций на судах - это применение виброизолирующих устройств с плавающим участком нулевой жесткости. Этот тип устройств наиболее полно отвечает требованиям идеальной виброизоляции.
   В связи со сказанным создание и исследование виброизолирующих систем с перестраивающимися компенсаторами жесткости становятся актуальной научной задачей. Поэтому настоящая научная работа направлена на разработку конструкции и исследование виброизолирующей подвески с нелинейным электромагнитным компенсатором жесткости.
   Электромагнитный компенсатор жесткости полностью отвечает условиям идеальной виброизоляции. У такого компенсатора нет взаимодействующих частей, а следовательно, нет сил трения и износа деталей. У него также отсутствуют промежуточные подвижные массы, следовательно, дополнительные силы инерции. Электромагнитный компенсатор жесткости может быть снабжен быстродействующей системой перестройки, перераспределяющей напряжение на электромагнитах при изменении нагрузки, что обеспечивает «плавание» участка нулевой жесткости на силовой характеристике виброизолятора.
   В монографии представлены новые способы расчета и проектирования конструкции эффективной виброизолирующей подвески с нелинейными электромагнитными компенсаторами жесткости, имеющими малые габариты, а также исследования нелинейного электромагнитного компенсатора жесткости.
   Автор выражает признательность декану электромеханического факультета, кандидату технических наук, профессору В.Ю. Гроссу (ФБОУ ВПО «НГАВТ») за предложения и критические замечания, позволившие улучшить содержание книги; ведущим инженерам В.В. Афанасьеву, В.А. Косинцеву, В.С. Курбатову, заместителю генерального директора Н.Н. Федюшину ФГУП ПО «СЕВЕР» за бескорыстную помощь и плодотворные дискуссии при обсуждении содержания монографии, а также коллективу КО-2 ФГУП ПО «СЕВЕР» за ценную помощь в практической реализации научных результатов, полученных в работе.

1. ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК -ОДИН ИЗ СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ОБЩЕЙ ВИБРАЦИИ


            1.1. Влияние вибрации на транспортные средства и основные источники вибрации


   Наблюдаемая в последние десятилетия тенденция к уменьшению веса конструкций различных транспортных средств при одновременном увеличении мощности их энергетических установок приводит к значительному росту уровней вибраций на этих транспортных средствах. Проблема вибрационных колебаний наиболее ощутима в таких областях, как судостроение, локомотивостроение, автомобилестроение, в промышленности, на производстве и т. д. Вредное влияние вибраций заключается в том, что они, распространяясь, разрушают другие машины и сооружения, нарушают показания контрольно-измерительной аппаратуры. На современных морских и речных теплоходах уровни вибрации зачастую превышают допустимые санитарными нормами в несколько раз. Наибольшие колебания испытывают кормовые оконечности корпусов (в районе гребных винтов), перекрытия машинных отделений и надстройки (жилые, производственные и общественные помещения).
   Динамические усилия, вызываемые вибрацией, приводят к образованию трещин в силовом наборе, обшивке, переборках, фундаментах; вызывают поломку валопроводов, навешенного на двигатели оборудования, отрыв фундаментов, книц, крепежных болтов и т. д. [9, 12, 94]. Вибрации снижают надежность и точность электронной аппаратуры, навигационных систем и гидроакустических приборов [3,8].

1. ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

   Общая вибрация корпуса транспортного средства вызывает вертикальные и горизонтальные колебания; уровни вибраций на судах, в автомобилях, поездах иногда превышают допустимые 20 дБ, что объясняется совпадением собственных частот колебаний надстроек с частотами возмущающих усилий. Таким образом, люди, работающие на транспорте, в особенности экипажи судов, в течение длительного времени испытывают вредное воздействие вибрации, шума и инфразвука.
   Основные источники вибрации на транспорте - это энергетические установки (главный двигатель, двигатель внутреннего сгорания, ди-зель-генераторы), гребной винт, валопровод, некоторые вспомогательные и производственные механизмы, лифты, насосы, станки, трансформаторы, вентиляционные системы, центрифуги, а также волнение моря, неровности дороги [6, 13, 74, 8, 43, 47, 59, 81, 94]. Например, на судах гребной винт служит источником интенсивного шума и вибрации, особенно в кормовой оконечности судна. Это обусловлено действующими на обшивку импульсами давления с лопастной и кратной ей частотами, периодически меняющимися силами и моментами, вызванными неоднородностью потока, а также механической и гидравлической неуравновешенностью винта. Неуравновешенность винта, нарушения центровки, неправильно «пробитая» валовая линия вызывают изгибание валопровода при его вращении, что создает вибрацию в вертикальной и горизонтальной плоскостях с частотой, равной частоте вращения [17].
   Особенно это характерно для речных судов, на которых в качестве главных двигателей практически на 100 процентов используются дизели. В состав судовой энергетической установки, как правило, входят от одного до трех главных двигателей, работающих на гребной винт непосредственно или через реверс-редуктор, и два-три дизель-генератора, обеспечивающих электроэнергией судовые потребители [69, 87, 88]. Из главных двигателей на судах только ДВС оказываются существенным источником вибраций [14, 22, 68, 72, 73, 79, 86]. Это объясняется принципом действия таких машин. Силы давления газов в цилиндрах, силы инерции возвратно-поступательно движущихся и вращающихся частей и неуравновешенность опрокидывающего момента создают низкочастотные колебания. Импульсный процесс сгорания топлива, удары поршней при перекладке, трение их о стенки цилиндров, клапанно-распределительный механизм, всасывающий и выхлопной коллекторы - это источники средне- и высокочастотной виб

1.1. Влияние вибрации на транспортные средства и основные источники вибрации

9

рации, которая в виде структурного шума распространяется по судовым конструкциям и силовому набору [8, 14].
   Средне- и высокочастотные колебания в основном влияют на уровень шума на транспорте и достаточно эффективно поглощаются вибропоглощающими покрытиями [78] и «виброзадерживающими массами» [17, 62]. Уровень же общей вибрации в основном определяется низкочастотными колебаниями энергетических установок. Многочисленные исследования показывают, что внешняя неуравновешенность ДВС весьма существенно влияет практически на все формы колебаний, испытываемые корпусом транспортного средства. Например, исследования ученых НГАВТ (НИИВТ) [48, 50] показали, что амплитуда вертикальных перемещений продольного набора в кормовой оконечности теплохода проекта № 758 достигает 0,5 мм. Частота этих колебаний соответствует частоте вращения коленчатого вала дизеля и гребного вала. Днищевые части шпангоутов испытывают изгибы до 0,6 мм под действием вибрации с частотой пульсаций опрокидывающего момента. В результате исследований также установлено, что продольный набор корпуса четырежды испытывает резонансные колебания в рабочем диапазоне частоты вращения главных двигателей.
   Внешняя неуравновешенность дизелей в зоне резонансных и око-лорезонансных частот упругой системы «главный двигатель - перекрытие машинного отделения» стала основной причиной появления усталостных повреждений судовых конструкций, расположенных в районе машинного отделения [59, 62, 81, 97], и повышенных вибраций судовых надстроек [79, 97]. Исследования показывают, что собственные частоты надстроек многих морских и речных судов находятся в интервале лопастных частот и частот низших порядков малооборотных ДВС [10, 13, 43, 58, 74]. Это приводит к необходимости проводить различные мероприятия по уменьшению уровней вибраций в жилых и производственных помещениях судов. Однако эти мероприятия не всегда обеспечивают достаточно эффективную виброзащиту.
   На судах речного флота наибольшее применение находят четырехтактные двигатели с количеством цилиндров от четырех и более. Четырехтактные ДВС с числом цилиндров шесть и более обычно уравновешены в отношении сил инерции первого и второго порядка, но не уравновешены в отношении опрокидывающих моментов. Не уравновешены в отношении сил инерции второго порядка четырехтактные четырехцилиндровые дизели, широко применяемые на судах речного

1. ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

флота в качестве двигателей дизель-генераторов. Силы инерции двигателей с V-образным расположением цилиндров имеют как вертикальные, так и горизонтальные составляющие [13, 43, 58], что вызывает колебания в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также «рыскание» и «галопирование» этих двигателей. Таким образом, все используемые на судах речного флота ДВС служат источниками вибрации судовых конструкций, особенно расположенных в районе машинного отделения [72, 97]. Это также относится к силовым установкам с двумя главными уравновешенными двигателями, работающими в противофазе. Хотя они теоретически не должны вызывать колебаний перекрытий машинного отделения, но при учете податливости перекрытия выясняется, что и в этом случае ДВС являются одним из основных источников вибрации на судне [14, 22, 68, 79, 82, 86].
   Анализируя сказанное, можно сделать вывод, что общесудовая вибрация отрицательно влияет как на надежность и долговечность конструкций, машин и оборудования, так и на здоровье людей, управляющих различными видами транспорта или пользующихся им. Поэтому снижение уровней динамических сил становится актуальной научной задачей.


            1.2. Нормативные документы, регламентирующие уровни вибрации, и влияние вибрации на организм человека


    Многочисленные исследования показали, что трудовая деятельность людей, работающих на транспортных средствах, протекает в условиях комплексного воздействия шума и вибрации. Расположение на транспортных средствах производственных объектов вблизи рабочих помещений приводит к тому, что шум и вибрация влияют на людей в процессе работы в течение всего дня [71]. Вибрация воспринимается при непосредственном соприкосновении с вибрирующим телом или через другие твердые тела, соприкасающиеся с ним.
   Вибрация отрицательно влияет на работоспособность человека, нарушая его восприятие и оценку времени, координацию движения; вызывая головную боль, потерю чувствительности (болевая, температурная и т. д.); снижая скорость переработки информации на 40 процентов. Колебания в интервале частот от 1 до 30 Гц, преобладающие в спектре общесудовой вибрации, наиболее неблагоприятно влияют на

1.2. Нормативные документы, регламентирующие уровни вибрации, и влияние вибрации

11

человека, поскольку вызывают различные резонансные явления в организме. Резонанс человеческого тела, отдельных его органов наступает под действием внешних сил при совпадении собственных частот колебаний внутренних органов с частотами внешних сил. Для органов, расположенных в грудной клетке и брюшной полости, резонансными будут частоты от 3 до 3,5 Гц. Для всего тела в положении сидя резонанс наступает на частотах от 4 до 6 Гц. Область резонанса для головы в положении сидя при вертикальных вибрациях располагается в зоне от 20 до 30 Гц, при горизонтальных - от 1,5 до 2 Гц.
   Исследования показали, что расстройства двигательной функции, возникающие под воздействием вибрации, обусловлены как нарушениями регуляторных функций центральной нервной системы, так и поражением мышц с их непосредственной травматизацией.
   В [39, 91] рассматривают вибрацию как сильный стресс-фактор, отрицательно влияющий на умственную деятельность человека и повышающий вероятность возникновения несчастных случаев. Необходимо отметить, что согласно действующему ГОСТ 12.1.012-2004 «Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования» частота заболеваний определяется величиной дозы и временем воздействия. Длительное влияние общесудовой вибрации приводит к стойким патологическим нарушениям в организме человека. Всесторонний анализ этого патологического процесса послужил основанием для выделения его в качестве самостоятельной определенной формы профессионального заболевания - вибрационной болезни [71].
   К факторам производственной среды, усугубляющим вредное воздействие вибраций на организм, относятся чрезмерные мышечные нагрузки, неблагоприятные микроклиматические условия, особенно пониженная температура, шум высокой интенсивности. Охлаждение и смачивание рук значительно повышают риск развития вибрационной болезни за счет усиления сосудистых реакций. При совместном действии шума и вибрации наблюдается взаимное усиление эффекта в результате его суммирования.
   В основе профилактики вибрационной болезни лежит гигиеническое нормирование уровней вибрации [10, 20]. При гигиенической оценке вибраций нормируемыми параметрами являются средние квадратичные значения виброскорости или виброускорения [56, 84]. В Российской Федерации уровни вибрации на судах регламентируются

1. ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

санитарным законодательством СанПиН 2.5.2-703-98 «Суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания». Для производственных предприятий также введены санитарные нормы СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Санитарные нормы. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий».
   Основными нормативными правовыми актами, регламентирующими параметры производственных вибраций на любом виде транспорта, являются «Санитарные нормы и правила при работе с машинами и оборудованием, создающими локальную вибрацию, передающуюся на руки работающих» № 3041-84 и «Санитарные нормы вибрации рабочих мест» № 3044-84.
   Нормируемые значения уровней судовой вибрации на рабочих местах задаются с учетом воздействия вибрации в течение восьмичасового рабочего дня, например ГОСТ 12.1.012-2004 «Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования» на допустимые вибрации на рабочих местах при обслуживании дизеля» и ГОСТ 12.1.003-83 «Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности» на допустимые уровни шума на рабочих местах при обслуживании дизеля», а также регламентируются ГОСТ 12.1.012-2004 «Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования»; ГОСТ Р 53646-2009 (ИСО 14509:2000) «Шум машин. Измерение шума малых моторных прогулочных судов»; ГОСТ Р ИСО 6954-2009 «Вибрация. Руководство по измерению вибрации и оценке ее воздействия на человека на пассажирских и торговых судах». На судах обязаны не реже одного раза в год выполнять контрольные измерения вибрации. На железнодорожном транспорте уровни вибрационных колебаний регламентируются ГОСТ Р ИСО 14837-1-2007 «Шум и вибрация, создаваемые движением рельсового транспорта»; ГОСТ Р 54092-2010 «Железнодорожный специальный подвижной состав. Внешний шум. Нормы и методы определения». На автомобильном транспорте: ГОСТ Р 51616-2000 «Автомобильные транспортные средства. Шум внутренний. Допустимые уровни и методы испытаний»; ГОСТ Р 53838-2010 «Двигатели автомобильные. Допустимые уровни шума и методы измерения»; ГОСТ 31333-2006 (ИСО 7188:1994) «Шум машин. Измерение шума легковых пассажирских автомобилей в условиях, соответствующих городскому движению».