книги из ГПНТБ / Давыдов, В. В. Динамические расчеты прочности судовых конструкций учебник

присоединяющейся к колебаниям массы воды, если пластина омывается водой.

к нему пластины шириной, равной расстоянию между ребрами;

b — меньшая сторона контура пластины до установки ребер жесткости;

с— расстояние между ребрами;

а— коэффициент, определяемый по отношению сторон пла­ стины до ее подкрепления по табл. 13, с. 181 (Впрочем, осторожнее взять а = 0,78 как для пластины неограни­ ченно вытянутой.)

Необходимый момент инерции ребра может быть найден из (9.8), если принять, что частота п, вычисленная по этой формуле, должна быть раза в два выше частоты подкрепленной пластины в предполо­ жении, что ребра не смещаются.

Например, при подкреплении рассматриваемой пластины 2200 х X 800 х 6 тремя ребрами из полособульба № 6 имеем момент инерции сечения ребра с пояском обшивки 13,3 см ** / = 6-10-7 м4. Площадь сечения ребра с относящейся к нему обшивкой равна.

S = 4,3 + 55-0,6 = 37 см2.

Погонная масса по формуле (9.9) равна

т = 7,85-0,0037 + 2-0,63-0,55-0,8 = 0,59 кН -с2/м2.

Здесь:

7,85 кН -с2/м4 [800 кгс-с2/м4] — плотность материала ребра; 0,63 — коэффициент из табл. 13 для отношения

Ь_ 800 = 0,36.

а2200

Изоляция корпуса от возмущающих усилий. Основными источни­ ками вибрации являются гребные винты и двигатели. Наряду с кон­ структивными мероприятиями, направленными на восприятие и раз­ несение возникающих усилий, можно принять меры по изоляции кор­

* Если пластина не соприкасается с водой, то второе слагаемое должно быть опущено, а если она омывается водой с обеих сторон, то удвоено.

320

пуса от вызывающих вибрацию усилий. Пульсирующие гидродинами­ ческие давления от винтов передаются обшивке корпуса на ограни­ ченном участке, причем распределение давлений характеризуется рез­ ким уменьшением их по мере удаления от диска винта. Такой харак­ тер распределения пульсирующих гидродинамических давлений по­ зволяет для снижения вибрации частично изолировать корпус от их воздействия. Этого можно достигнуть как отодвигацием винта от кор­ пуса, так и применением насадок поворотных или неподвижных. На­ садки довольно сильно снижают усилия, которые передаются обшивке корпуса через воду, но усилия, передающиеся связям корпуса через крепления насадок и подшипники валопровода, остаются и могут ока­

заться значительными. В целом насадки могут снизить суммарное усилие процентов на 20—30.

При применении неподвижных или поворотных насадок в целях изоляции корпуса от винтов необходима тщательная центровка вин­ тов в насадках.

Уменьшение возмущающих сил и моментов, передающихся кор­ пусу судна от двигателей, может быть достигнуто путем применения виброизоляторов (амортизаторов).

Амортизаторы представляют собой упругие связи (спиральные пружины, рессоры, резиновые прокладки и т. д.), помещаемые между двигателями и его фундаментами (см. рис. 11).

Усилие, передаваемое двигателем корпусу судна, при применении амортизаторов будет меньше, что, в свою очередь, приведет к умень­ шению колебаний корпуса судна. Сам двигатель при применении виб­ роизоляторов будет колебаться, как правило, сильнее, чем при их от­ сутствии. Эффективность виброизоляторов обеспечивается надлежа­ щим выбором жесткости их пружин.

Установку двигателя на амортизаторах можно рассматривать как систему уравнений с одной (применительно к рис. 11), двумя или не­

сколькими степенями свободы * и в соответствии со сведениями об обобщенных массах, жесткостях и сопротивлениях можно выбрать, пользуясь теорией главы 2, метод расчета.

Конструкция амортизаторов может быть различной, однако амор­ тизаторы в виде плит из упругого материала (дерево, резина), как пра вило, мало удачны, так как этот материал с течением времени твердеет и установка в целом требует постоянного наблюдения. Установки со стальными пружинами или комбинированные предпочтительнее. Одна

из конструкций установки вспомо­ гательного дизель-генератора мощ­

(рис. 71), смонтированные на общей жесткой раме 3, были оперты на десять амортизаторов 4, по пяти с каждой стороны. Амортизаторы пе­ редавали суммарный вес установки около 43 кН (4,3 тс) и динамиче­ ские усилия на судовой фундамент 5, жестко связанный с корпусом судна. Возможные во время пуска боковые и вертикальные смещения ограничены четырьмя ограничите­ лями боковых смещений 6 и че­ тырьмя ограничителями вертикаль­ ных смещений 7. Кроме этих огра­ ничителей с носовой стороны дви­ гателя предусмотрены упоры 8 (на случай резкой остановки судна).

Устройство амортизаторов по­ казано на рис. 72. Скоба 3 жестко соединена с рамой 7, на которую установлены двигатель и генератор.

Приходящаяся на амортизатор нагрузка от веса агрегата и динамиче­ ских усилий воспринимается скобами 3, на которых подвешен агрегат. Скоба через регулировочный болт 1 и тарелку 2 передает усилие пру­ жине 4, сжимая последнюю. Пружина нижним своим концом упи­ рается в тарелку 5, опирающуюся, в свою очередь, на штырь 6, ук­ репленный в судовом фундаменте 8 и свободно проходящий через от­ верстие в раме 7. Завинчивая в скобу регулировочный болт 1, можно приподнять раму 7, а вместе с ней двигатель и генератор; вывинчи­ вая _ опустить, благодаря чему достигается установка в нужное

среднее положение.

На рис. 73 показан один из ограничителей боковых смещений (де­ таль 6 на рис. 71). Как видно из рисунка, в качестве ограничителя

* Теория системы «двигатель — амортизатор—перекрытие — неподвижный корпус», как системы уравнений с двумя степенями свободы изложена в книге В. В. Д а в ы д о в , Н. В. М а т т е с. «Динамические расчеты прочности судовых конструкций». М., «Транспорт», 1965.

322

использован амортизатор типа АКСС. Корпус его 7 жестко связан бол­ тами 8 с судовым фундаментом 9. В гайку амортизатора 1, связанную с корпусом 7 резиновым заполнителем 2, ввернута шпилька 5. По­ следняя проходит через отверстие в р.аме 3, на которой жестко смонти­ рован агрегат. Наличие втулки 4 и небольшого зазора в ней обеспечи­ вает возможность вертикальных смещений; горизонтальные же сме­ щения ограничены достаточно жестким резиновым заполнителем 2. Для смягчения возможных ударов при вертикальных смещениях по­ ставлена прокладка 6.

Описанные конструкции, конечно, не единственно возможные,

и мы остановились подробно на их описании лишь, чтобы показать,

скакими трудностями приходится сталкиваться при постановке дви­ гателей на амортизаторы. Много­ численные трубопроводы, подходя­ щие к двигателю, должны иметь компенсаторы, допускающие смеще­ ние двигателя относительно кор­ пуса судна. Особое внимание долж­ но быть уделено компенсатору на

приближенной формуле (1.41) значительно меньше единицы (не больше 0,03—0,05).

Изоляция от звуковой вибрации (структурного шума) и вообще от шума является достаточно сложной задачей, требующей специаль­ ных расчетов и выходящей из рамок настоящего учебника.

Поэтому мы ограничимся приведением эскизов типичных звукоизо­ лирующих конструкций. Первая из них (рис. 74, а) обычна для кор­ пусных конструкций (палубы, переборок, выгородок), разделяющих малошумные помещения, например соседние каюты. Вторая (рис. 74,6) применяется для изоляции помещений с повышенными требованиями к звукоизоляции. Толщина рыхловолокнистого звукопоглощающего материала должна быть не менее 30 мм, а воздушный промежуток — не менее 70 мм.

Борьба с вибрацией на построенных судах. Если на построенном судне наблюдается нежелательная вибрация, необходимо прежде всего выяснить два основных вопроса: чем вызывается вибрация и носит ли она местный или общий характер.

Очевидно, что нельзя дать общего рецепта для борьбы с вибрацией на построенном судне. Вопрос настолько сложен, что в каждом отдель­ ном случае требует особого рассмотрения. Если вибрация носит мест­ ный и явно резонансный характер и в резонанс попадают отдельные конструкции (перекрытия, переборки, пластины), то уход из зоны резонанса можно осуществить увеличением их собственных частот путем повышения жесткости этих элементов. Это достигается усиле­ нием соответствующих конструкций: постановкой дополнительных ребер жесткости — для уменьшения вибрации пластин; постановкой пиллерсов, переборок или увеличением толщины основных связей — для уменьшения вибраций перекрытий. Выбор вида подкреплений должен быть обоснован соответствующими расчетами.

Рис. 74. Звукоизолирующие конструкции

тем ослабления возмущающих сил. Кардинальным решением яв­ ляется замена двигателей более уравновешенными. Возможно также уменьшение возмущающих усилий путем постановки двигателей на амортизаторы.

Если вибрация вызывается гребными винтами, то помимо осу­ ществления некоторых подкреплений иногда бывает полезно заме­

повышения собственных частот и ухода от резонанса практически не­ возможно, так как это привело бы к капитальной переделке корпуса. Приходится поэтому искать пути устранения вибрации, влияя на при­ чины, вызывающие ее, и выбирая наиболее экономичный выход. Если будет установлено, что вибрация вызывается главным двигателем, необходимо экспериментальным путем при помощи вибрографов по­ лучить зависимость вынужденных амплитуд от числа оборотов двига­ телей и выяснить, не будет ли целесообразно изменить число оборотов машины. Чтобы не уменьшилась мощность двигателя, возможно, пот­ ребуется при этом сменить винт.

Все вышеперечисленные мероприятия настолько серьезны, что

лансированность винта, неодинаковость его лопастей и их обра­ ботки и пр.

324

§ 36

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИИ

Задачи экспериментальных исследований. Наряду с теоретическими исследованиями и расчетами вибрации большое внимание уделяется непосредственному изучению вибрации на судах.

Экспериментальные исследования вибрации ставят своей целью получить фактические уровни вибрации (амплитуды, ускорения) и сравнить их с существующими нормами, т. е. выяснить, в каком со­ стоянии находится судно с точки зрения вибрации.

В случаях обнаруживания сильной вибрации аппаратурные за­ меры позволяют установить основные источники вибрации и режимы, на которых она возникает.

Наблюдения позволяют получить частоты и величины вибрацион­ ных напряжений для оценки долговечности конструкции или для сравнения с допустимыми уровнями вибрационных напряжений.

Для того чтобы ответить на поставленные вопросы, следует изме­ рить ряд параметров вибрации, а именно: частоты колебаний, ампли­ туды перемещений, скоростей и ускорений, фазовые соотношения ме­ жду составляющими колебаний, между силами, возбуждающими ко­ лебания, и перемещениями.

Иногда возникает необходимость подробнее изучить внешние силы, вызывающие вибрацию: частоты и амплитудные значения возбуждаю­ щих сил или давлений и законы их изменения.

Весьма часто бывает необходимо знать частоты и формы свободных колебаний отдельных судовых конструкций, величину сопротивле­ ний, возникающих при колебаниях.

Для измерения каждого из перечисленных параметров существуют свои методы и свои приборы.

Обычно испытания начинаются с получения частотного паспорта конструкции, т. е. с определения частот и форм собственных колеба­ ний корпуса судна и его отдельных конструкций. Для этого вида ис­ пытаний применяют искусственное возбуждение колебаний с помощью вибрационных машин,* принцип действия которых основан на при­ менении эксцентрично вращающихся грузов и возможности плавного изменения числа оборотов электродвигателя в широком диапазоне с помощью тиристорных преобразователей, представляющих собой построенную на мощных управляемых полупроводниковых диодах электронную схему. Устанавливая вибрационную машину достаточно большой мощности на переборках корпуса судна., можно получить резонансные колебания корпуса нескольких тонов и определить соб­ ственные частоты корпуса. Для отдельных элементов корпуса собст­ венные частоты можно найти с помощью небольших вибрационных машин. Частоту основного тона отдельных конструкций можно также получить, записав затухающие колебания после удара по конструкции. По резонансным кривым и записи затухающих колебаний можно оце­ нить коэффициенты сопротивления колебаниям.

* См. Справочник по строительной механике корабля. Под редакцией акад. Ю. А. Ш и м а н с к о г о . Т. 3, Л., Судпромгиз, 1958—1960, с. 740.

325

Наиболее сложными в исследованиях свободных колебаний кон­ струкций являются измерения, связанные с получением форм собст­ венных колебаний. Для корпуса в целом и для крупных конструкций (таких, как перекрытия) эти измерения несколько проще, чем измере­ ния для отдельных пластин и ребер жесткости, во-первых, потому что корпус или перекрытие имеют относительно низкие собственные ча­ стоты, а во-вторых, на них можно поставить большое число приборов— датчиков вибрации.

Измерение форм колебаний пластин и ребер жесткости связано с применением тензометрии (тензодатчиков). Вдоль ребра жесткости или пластины наклеивают ряд тензорезисторов (тензодатчиков) в ко­ личестве, необходимом для фиксирования формы (четыре-пять тензорезисторов на каждую полу­ волну). Совершенно очевидно, что получить формы высоких тонов пластин и ребер жестко и очень

трудно.

Аппаратура. Современная виброизмерительная аппаратура очень разнообразна. Имеются при­ боры, предназначенные для измерение частоты, амплитуд перемещений, амплитуд скорости, ампли­ туд ускорений, средних значений указанных ве­ личин, их пиковых значений при непериодических колебаниях и т. д. Трудность измерения колеба­ ний на судне заключается в отсутствии неподвиж­ ного «тела отсчета» — базы, относительно которой можно было бы производить измерения.

Основные вибрационные приборы можно разделить на не соприкасающиеся с исследуе­ мым объектом — бесконтактные приборы (кино­

съемочные, фототеневые и др.) — и механически связанные с иссле­ дуемым объектом, устанавливаемые на нем. Первая группа приборов малопригодна для судовых условий. Вторая группа, в свою очередь, может быть разделена на две подгруппы: приборы осязающие (вибро­ щупы) и приборы сейсмического типа.

Осязающие приборы применяют в случаях, когда исследуемый объект мал или труднодоступен и к нему нельзя прикрепить прибор, а можно лишь коснуться объекта щупом прибора—стержнем, выходя­ щим из его корпуса. Перемещения щупа относительно корпуса при­ бора (или, что то же, исследуемого объекта относительно корпуса прибора), который исследователь держит в руках по возможности не­ подвижно в пространстве, фиксируются.на ленте прибора, движу щейся с определенной скоростью.

К приборам этой группы относится широко применяемый при ис следованиях вибрации судовых конструкций ручной виброграф ВР-1 схема которого показана на рис. 75. В этом вибрографе, удобном для изучения местной вибрации, с числом колебаний от 300 до 3000 в ми­ нуту роль неподвижного «тела отсчета» играет сам корпус прибора, мягко поддерживаемый руками. Штырь прибора АС упирается точкой А в исследуемую деталь; легким нажимом рук отводят связанную со

326

штырем тарелку В от плоскости FG корпуса, к которому тарелка была прижата пружиной Я. Колебания исследуемой детали передаются точке С и фиксируются на ленте DE, катушки которой связаны с кор­ пусом прибора.

Основную массу современной аппаратуры по изучению вибрации составляют приборы сейсмического типа, корпуса которых жестко связаны с исследуемой деталью (прикрепляются к переборке корпуса судна, привинчиваются к палубе и т. д.) и колеблются вместе с ней. Чувствительным элементом прибора служит особая инерционная масса, связанная с корпусом прибора гибкой связью. Конструкция таких вибродатчиков весьма проста: в корпусе, на упругой связи N (рис. 76) подвешивается инерционная масса М, имеющая демпфер R, Колебания исследуемой детали (и корпуса прибора) оцениваются по относительному смещению массы М относительно корпуса прибора.

Дифференциальное уравнение абсолютного движения инерцион­ ной массы следующее

Mq>=— ЯЁ—

если считать силу сопротивления движению пропорциональной от­ носительной скорости, а силу сопротивления упругой связи массы с корпусом — пропорциональной относительному смещению.

Заменив в приведенном уравнении

ф= Ф + £

иподелив все уравнение на массу М, получим

Не решая уравнения, а только анализируя входящие в него вели­ чины, можно показать, что в зависимости от численных значений ве­ личин М, N, R прибор фиксирует перемещения, скорости или ускоре­ ния, т. е. служит виброметром, велосиметром или акселерометром (виб­ рографом, велосиграфом или акселерографом).

В датчиках, служащих для измерения амплитуды колебаний, стремятся уменьшить сопротивление R и собственную частоту коле­ баний (А.2) за счет уменьшения жесткости (N) и увеличения инерцион­ ной массы (М ). В этом случае, если в уравнении (9.10) считать, что А и г малы, получим

£ = —Ф-

Интегрирование без учета произвольных постоянных дает

£ = - ф .

т. е. относительный сдвиг массы равен искомому смещению. Следует учитывать, что сдвиг по фазе между перемещениями конструкции и относительными перемещениями инерционной массы будет близок к я.

327

Относительные колебания массы М могут быть зафиксированы путем механической или электрической передачи. В первом случае движение массы путем рычажных передач передается кончику пера, которое фиксирует колебания на движущейся с заданной скоростью (масштаб времени) ленте. По такому принципу работают вибрографы Гейгера, которые давно применяют в инженерной практике. Приборы Гейгера надежны в работе и универсальны, путем поворота массы можно за­ писать как вертикальные, так и горизонтальные колебания. Специ­ альные отметчики позволяют получить шкалу времени, записать обо­ роты машины и т. п. Замена инерционной массы маховиком, упруго связанным с корпусом прибора, превращает его в торсиограф — при­

личина которой пропорциональна скорости движения. Такой способ снятия сигнала называется индукционным. Примером такого датчика служат известные датчики типа МВ из аппаратуры АВ-44.* Принцип устройства электрических датчиков показан на рис. 77. На рис. 77, а показана схема индукционного датчика МВ. К инерционной массе М, соединенной с корпусом прибора 1 пружинами 2, прикреплен магнит 3. В нижней части корпуса установлена катушка 4, охватывающая маг­ нит. Корпус прибора и катушка совершают колебания вместе с иссле­ дуемой деталью 5. При измерении вибрации корпус прибора и ка­ тушка 4 колеблются иначе, чем заключенная в нем инерционная масса с магнитом. При относительном перемещении магнита в катушке в ней индуцируется электродвижущаяся сила, пропорциональная относи­ тельной скорости этого движения.

На рис. 77, б приведена схема индуктивного датчика ДУ-5. Сер­ дечник 1, имеющий по концам биметаллические элементы 2, подвешен упруго к корпусу прибора 3 на гибких пластинках 4. При относи­ тельном смещении сердечника в катушках 5 изменяется ток благодаря различной проводимости биметаллических элементов. Металлы в этих

328

элементах расположены асимметрично (с большей проводимостью к середине, или наоборот), благодаря чему эффект разбаланса в цепи усиливается.

На рис. 78 показан вид датчика ДУ-5 со снятой крышкой, а на рис. 79 — установка датчиков на конструкцию. Электрический спо­ соб съема сигнала достаточно универсален, так как полученный ток может быть проинтегрирован, и тогда сигнал будет пропорционален перемещению, или продифференцирован, и тогда сигнал будет про­

Датчики с низкой собственной частотой и малым сопротивлением обладают существенными недостатками, так как измерения с их по­ мощью можно производить только в зарезонансной зоне. У датчиков

а) Ю

Рис. 77. Схемы электрических датчиков

типа МВ рабочий диапазон начинается с 12—15 Гц; максимальная возможная частота составляет 300 Гц. В отличие от датчиков для из­ мерения перемещений у датчиков для измерения ускорений значи­ тельно увеличена собственная частота X, благодаря чему первыми двумя членами в уравнении (9.10) можно пренебречь по сравнению с третьим. Тогда получим

А2£ = - ф ,

т. е. относительное перемещение массы (£) пропорционально ускоре­

нию исследуемого тела (ф). За счет применения достаточно высокого сопротивления рабочий диапазон, находящийся в дорезонансной зоне (Я ^ со), несколько расширяется.

В настоящее время наиболее распространенными датчиками (аксе­ лерометрами) являются АВ-44, АВ-45, ДУ-5 и ДУ-5С, которыми осна­ щается аппаратура вибрации АВ-44, АВ-45, ВИ-6-5ТН, ВИ6-5МА. Они построены на индуктивном принципе съема сигнала. Датчики ДУ-5 и ДУ-5С имеют частотный, диапазон для измерений в пределах 0—200 Гц. Их собственная резонансная частота — 400 Гц.

329