Основы проектирования и расчета судового валопровода, страница 26

Роль демпфирования при колебаниях судовых валопроводов чрезвычайно велика. Основанием для данного утверждения служит тот факт, что амплитуды резонансных и околорезонансных колебаний ограничивается только демпфированием. Демпфирование непосредственно связано с поглощением энергии колебаний, превращением ее в тепловую и рассеянием этой энергии в окружающую среду. По этой причине демпфирующие моменты часто называют диссипативными.

Из сказанного следует, что при расчете крутильных колебаний валопровода учет демпфирующих моментов должен производиться с большой точностью. Между тем, большое число демпфирующих факторов, сложность и многообразие энергетических потерь не позволяет воспользоваться теоретическими рассуждениями. Поэтому в инженерных расчетах традиционно пользуются интегральными характеристиками, полученными из эксперимента или опыта расчета резонансных колебаний.

В зависимости от природы трения демпфирующие моменты разделяют на внешние и внутренние.

Внешнее демпфирование обусловлено трением в кинематических парах кривошипно-шатунного механизма ДВС, подшипниках валопровода, а также трением лопастей гребного винта о воду. Строго говоря, отмеченные моменты трения являются нелинейными. Однако при решении большинства прикладных задач нелинейностью пренебрегают и считают демпфирующий момент пропорциональным скорости колебательного процесса. Как известно, такое демпфирование называется вязким.

В случае вязкого трения потери энергии на рассеяние определяются коэффициентом пропорциональности  (Н×м×с). Для кривошипно-шатунного механизма коэффициент пропорциональности допустимо вычислять по формуле

,

где  – площадь поршня, м²;  – радиус кривошипа, м;  – число цилиндров, работающих на одно колено;  – удельный коэффициент демпфирования, значения которого находятся в пределах =(1,5¸4)×10⁵. Данная формула справедлива для ДВС автотракторного типа. В случае СОД рекомендуется пользоваться зависимостью

,

где  – число кривошипов.

Для малооборотных дизелей наиболее подходящей является формула

.

Коэффициент пропорциональности для подсчета демпфирующих моментов в подшипниках валопровода рекомендуется находить по формуле

,

где  и  – диаметр и длина подшипника, м;  – установочный зазор, м;  и  – плотность (кг/м³) и кинематическая вязкость масла при рабочей температуре (м²/с).

В литературе по расчету крутильных колебаний можно найти несколько зависимостей для оценки трения лопастей винта о воду. Наиболее простая из них имеет вид

,

где  – среднее значение крутящего момента на гребном винте, Н×м;  – частота вращения винта, мин^-1.

Внутреннее демпфирование связано со свойствами материала иметь неодинаковые деформации при его нагружении и разгружении. В графическом виде это различие изображается замкнутой гистерезисной петлей, имеющей форму эллипса.

Площадь пели гистерезиса представляет собой энергию, которая отводится от колебательного процесса за один период и рассеивается в окружающую среду. Отношение упомянутой площади к максимальному значению потенциальной энергии деформации называется коэффициентом поглощения . Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что для большинства судостроительных материалов величина  может считаться константой. В частности, для стальных конструкций коэффициент поглощения находится в пределах 0,01¸0,02. Для гребного вала с облицовкой работа момента внутреннего трения возрастает, прежде всего, за счет дополнительного демпфирования при относительном перемещении контактируемых поверхностей. В подобных конструкциях величина  может достигать значения 0,2.

При расчете валов гистерезисным трением часто пренебрегают ввиду его незначительного влияния на резонансные колебания. Последнее утверждение справедливо для низших частот. С другой стороны, деление демпфирования на внешнее и внутреннее чисто искусственное, так как даже в лабораторных условиях трудно отделить один вид трения от другого. По этой причине предпринимаются попытки введения в расчетную практику так называемого приведенного коэффициента поглощения. Благодаря ему удается учитывать все потери колебательной энергии в интегральном виде. Для технологических и транспортных машин приведенный коэффициент поглощения изменяется от 0,35 до 0,65.