1.3 Оценка и нормирование вибрации

Так как номенклатура интегрируемых в судно малооборотных дизелей ограничена, для выявления неуравновешенных моментов и сил, образующихся во время их эксплуатации, применяются значения неуравновешенных усилий разных порядков, полученные с учетом пространственной деформации корпуса судна [1]. В общем случае, для оценивания значительнейших компонентов силового воздействия на корпус со стороны работающего дизеля. При этом представляется возможным полный учёт тонкости эксплуатации конкретного дизельного двигателя, а также особенности крепления его к фундаментной раме в машинном отделении.

Важной мерой вибропрочности корпусных конструкций, для которых выполняются расчеты вынужденной вибрации, являются допускаемые Правилами РМРС напряжения, которые определяются пределом усталости сварных соединений конструкций с учетом запаса вибрационной прочности.

В первую очередь, важность нормирования вибрации на судах связана с необходимостью защиты корпусных конструкций, приборов и оборудования. Нормы вибрации предопределены таким образом, чтобы их можно было выполнить всеми известными на сегодняшний день способами. Нередко это бывает сделать тяжело без детального анализа причин вибрации.

Мероприятия по нормированию вибрации корпуса судна являются ответственностью Речного Регистра Судоходства. Его главный принцип в области контроля гласит, что на любом существующем судне Российской Федерации возникновение резонансных явлений исключено, вследствие них конструкция получит скачок амплитуды вплоть до её разрушения. Судно должно также иметь достаточно жёсткую конструкцию, то есть все её собственные частоты и частоты её элементов выше частот вынуждающих сил.

Нормированию подлежит вибрация шести основных элементов:

1. Кормовая оконечность.

2. Листы обшивки, конструкций и всей надстройки.

3. Рамный набор в составе перекрытия.

4. Рабочие поверхности фундаментов.

5. Холостой набор, рёбра жёсткости.

6. Двигатели, а также вспомогательные механизмы. Рассмотрим это подробнее.

1.4 Источники вибрации

Главной причиной возникновения вибраций на судне являются появляющиеся при работе техники неуравновешенные силовые воздействия. Величине таких сил всегда пропорционален дисбаланс. Неуравновешенные усилия от работы механизмов, воздействуя непосредственно на перекрытие, на котором установлен механизм, как пример, фундаментная рама главного дизеля и дизель-генератора, возбуждают вибрацию в данной области, которая в свою очередь передаётся на периферию, то есть на корпус судна, вызывая тем самым общую вибрацию. Пластины и ребра жесткости обшивки такого перекрытия и близлежащих конструкций возбуждаются вследствие колебаний их опорного контура. Вибрация на малых ходах кораблей, как правило, регистрируется в кормовой части, а при максимальной - может распространяться на среднюю и носовую части.

Эксплуатация судовых двигателей сопровождается возникновением неуравновешенных сил, которые в отдельных случаях могут породить резонанс. Недопустимой вибрацией на судне является вибрация большей, чем допустимая, амплитуды либо же резонанс. Ниже представлены главные причины пояления дисбаланса механизмов:

• «кинематическая», связана с конечностью цилиндров дизеля;

• «деформационная», обусловлена не бесконечной жесткостью остова;

• «технологическая», возникает вследствие наличия неизбежных погрешностей частей дизеля при его изготовлении и сборки.

Основными периодическими возмущающими усилиями, вызывающими вибрацию, являются:

1.Пульсирующие гидродинамические давления первого и удвоенного лопастного порядков гребных винтов. Ходовая вибрация лопастного (первого) порядка - колебания корпуса с частотой, равной частоте вращения валопровода при полном ходе. Удвоенная вибрация лопастного порядка, как видно из названия, имеет частоту вдвое большую первой. Гребной винт возбуждает общую и локальную вибрации на судне. Нагрузки на винтах за корпусом судна в близи от него есть наиболее важная причина появления вибрации.

Винт возбуждает две вибрационных нагрузки: нагрузку через подшипники и приложенную к листам обшивке в виде пульсирующих колебаний [1].

Рассматриваются несколько циклических усилий, обусловленные:

• динамической неуравновешенностью винта. Центр масс и центр инерции располагаются в разных точках

• статической неуравновешенностью винта. Центр масс и ось вращения не совпадают

• пульсацией гидродинамического давления. Передающегося на днище в области над винтом

• гидродинамической неуравновешенностью винта. Возникает по технологическим причинам (разношаговость, неравномерное расположение лопастей)

Результирующая сила гидродинамического давления некавитирующего винта располагает двумя основными гармоническими составляющими 1-й и 2-й лопастной частотой. Для кавитирующих винтов процесс случаен, в спектре присутствуют только несколько похожих гармоник лопастных частот. Величина суммарного давления зависит от силы кавитации, она больше всего развита при оголении лопастей винта, а может исчезать, когда корма стоит на волне. Спектр гармонических составляющих изменяется от формы винта, так остается всего две составляющие с первыми двумя лопастными частотами.

2. Периодические силы, вызываемые неоднородным потоком в плоскости диска винта, действуют на валопровод и подшипники дейдвудов В данном случае возникает частота 1-го порядка, половинная, лопастная, а также удвоенная.

Интенсивность вибрации определяется размерами возмущающих усилий, зависящие от таких явлений, как точность изготовления винта, величина зазоров, число лопастей, конструкция, параметры (диаметр, форма лопастей, ВРШ, дисковое и шаговое отношения), форма кормы (килеватость, наличие специальных устройств и т.п.), кормовая осадка, это значительно влияет на появление кавитации винтов на волнении. Вибрация конструкций имеет первые пять лопастных частот, что вызывает трудности при оценке прочности корпусных конструкций в кормовой оконечности и соблюдении санитарных норм в МО. Главной причиной высокого значения вибрации (резонансов) конструкций в корме являются гидродинамические давления, порождаемыми винтами на обшивке. Наблюдаются резонансные явления. С целью уточнения причин винтовой вибрации с частотами выше 2-й лопастной выполнены эмпирические и теоретические исследования давлений винта и вибрации конструкций. В ходе опыта на т/х «Углич» типа «Варненмунд» оценивались параметры вибрации кормы (амплитуды, резонанс и порядок частот), уровень гидродинамических давлений на днище при волнении и на тихой воде [1]. Следует отметить, что на т/х «Углич» испытания производились при штатном гребном винте.

Результаты подтвердили присутствие кавитации. Отмечалось, что некавитирующие винты дают две гармонические составляющие 1 и 2-ой лопастной частоты. При этом почти всю энергию давлений в размере 90% несут частоты 1-го и 4-го порядка. Кавитация винта на волнении неустойчива, пульсация имеет случайный характер. Таким же образом изменяются и гармоники давлений, вибрация корпусных конструкций и их элементы.

3.Инерционные усилия, обусловленные кинематическим возбуждением – колебаниями опорного контура конструкции и окружающей жидкости вследствие общей ходовой вибрации корпуса или работы неуравновешенных механизмов.

4.Удары волн о корпус корабля, ветер, сталкивающийся лед. Имея большую массу, вода, наваливаясь на корпус, оказывает наибольшие нагрузки на корпус судна. Отсюда следует рассмотреть некоторые явления взаимодействия корпуса судна с большими массами воды в ходе эксплуатации судна. Для оценки используются такие характеристики как заливаемость, слемминг и випиинг.

Движение судна сопровождается ещё несколькими проблемами. Заливание (омывание палубы большими объёмами воды) при анализе мореходности обычно рассматривается при встречной волне и через бак.

Слемингом называется удар днища носовой оконечности о воду при качки на встречных волнах. Слеминг сопровождается вибрацией корпуса из-за резкого возрастания нагрузки у днища - випингом. Различают также и незатухающую вибрацию, называемую спрингингом. Обусловлен возбуждением колебаний корпуса под действием давлений воды на волнах. Его появление зависит от размерений судна. Такие удары по днищу и общая вибрация смогут стать причинами нарушений прочности корпуса.

Випинг есть ничто иное, как упругие колебания корпуса судна от ударов его корпуса о воду. Он появляется как случайные промежутки времени. Напряжения в продольных связях накладываются от волновых изгибающих моментов. При неблагоприятных условиях такие напряжения могут сильно повредят конструкции корпуса.