Разработка судового фундамента с повышенными виброизолирующими свойствами для условий повышенных температур и агрессивных воздействий

Морской вестник № 3(79), 2021

Автор: Николаев И.В., инженер-конструктор 2 категории АО «51 ЦКТИС»



Для каждого проектируемого судна, у которого расчетом установлено превышение ожидаемого уровня шума, допустимого санитарными нормами, а также для построенных судов с уровнями шума, превышающими эти нормы, и в связи с эти подготавливаемых к переоборудованию, должны быть разработаны необходимые комплексы противошумовых мероприятий.

Основные источники шума на судах – главные двигатели и винторулевой комплекс. Источниками меньшей интенсивности, но также создающими повышенный шум, являются вспомогательные двигатели и механизмы, системы вентиляции и кондиционирования воздуха, электрорадионавигационное оборудование и бытовые системы, установленные без соблюдения соответствующих правил [1].

Как известно, от акустической незаметности зависит выживание подводных лодок. Механическая вибрация и шум от оборудования передаются на конструкцию корпуса через фундамент. Затем эта вибрация и звук излучаются в воду. Поэтому фундамент становится ключевым звеном на пути передачи вибрации. Вибрационные характеристики фундамента в какой-то степени можно отнести к акустической скрытности под водных лодок [2].

Судовые фундаменты представляют собой единую систему, связанную с жесткими связями корпуса судна вместе с соответствующими перекрытиями или балками набора, которая воспринимает действующие на нее усилия. Конструкция фундаментов должна быть достаточно прочна и, кроме того, достаточно жестка, чтобы исключить недопустимые колебания установленных на них механизмов.[3]

В настоящее время при проектировании судовых фундаментов с повышенными виброизолирующими свойствами руководствуются требованиями, приведенными в ОСТВ5.0373–83, ОСТ5.101–83, «Методических указаниях по применению и оценке шумопоглощающей эффективности вибропоглощающих покрытий» и других методических указаниях. Традиционно для этой цели находят применение виброзадерживающие массы (ВЗМ) и вибропоглощающие покрытия (ВПП),а также их сочетание.

В качестве ВЗМ применяют металлические бруски круглого или квадратного сечения, устанавливаемые на основные связи фундаментов. Для эффективной работы размеры поперечного сечения ВЗМ должны не менее чем в 10 раз превышать среднюю толщину основных связей фундамента. Вследствие этого основным недостатком ВЗМ является существенное увеличение массы фундамента и вибродемпфируемой (как правило, днищевой) секции судна [4].

Одно из наиболее распространенных типов ВПП – армированное вибропоглощающее покрытие, представляющее собой диссипативный слой резиноподобного материала, на который наносится армирующий слой из металла.

Один из недостатков армированного вибропоглощающего покрытия – большая масса, обусловленная как большими размерами покрытия в плане, так и его большой толщиной. Для повышения эффективности это покрытие наносят на всю поверхность демпфируемой конструкции или ее часть (не менее 60%), а толщина покрытия при этом должна превышать толщину демпфируемой конструкции в 2 раза и более.

Демпфирующие свойства полимерных материалов зависят от различных технологических и внешних факторов, наиболее важные из них – температура и частота колебаний. Несмотря на достаточно сложный нелинейный характер зависимости коэффициента потерь η и модуля упругости Е от температуры, в целом с ростом температуры наблюдается понижение демпфирующих свойств материала [5].

У традиционных полимерных материалов, таких как резина, с повышением температуры происходит ускорение процесса старения. При слишком высокой температуре демпфирующий материал может даже трескаться и обугливаться, что значительно сокращает срок его службы. Прочие сопутствующие агрессивные среды также негативно влияют на срок службы ВПП.

Следует отметить, когда корабль (подводная лодка) движется на полном ходу, в машинном отделении (в реакторном и турбогенераторных отсеках) может возникать высокая температура (около 60 °С и выше). Надежная и эффективная конструкция ВПП для снижения вибрации фундамента при высоких температурах по-прежнему остается определенной технической проблемой.

Задача настоящего исследования – провести анализ свойств современных ВПП и на его основе предложить эффективную систему снижения уровня вибрации судового фундамента под главные или вспомогательные механизмы на низших резонансных частотах (50–1000 Гц) в условиях высоких температур и агрессивных сред.

Обзор современных вибропоглощающих покрытий


Основная цель использования средств вибропоглощения – увеличение с их помощью коэффициентов потерь η конструкций, т.е. диссипативной характеристики, определяющей уровни звуковой вибрации конструкции.

Темам разработки и создания ВПП были посвящены научные исследования как российских, так и зарубежных ученых. В настоящее время известны следующие фундаментальные труды, в которых изложены основные теоретические закономерности, повлиявшие на дальнейшее развитие науки в направлении борьбы с вибрациями: Л. Нильсен «Механические свойства полимеров и полимерных композиций» (1978 г.), А.С. Никифоров «Вибропоглощение на судах» (1979 г.) и др.

Вибропоглощающие покрытия по характеру происходящих в них деформаций и эффективности применения в частотных диапазонах делят на несколько типов.

Установлено, что мягкие, армированные и некоторые комбинированные ВПП эффективны в диапазоне частот выше 800 Гц. Применение жестких ВПП для вибродемпфирования металлоконструкций эффективно в диапазоне частот менее 800 Гц.

В настоящее время создание однородных конструкционных материалов с большими коэффициентами внутренних потерь считается одним из наиболее перспективных средств вибропоглощения. Известно, что пористые материалы, такие как металлическая пена и сотовые материалы, могут эффективно поглощать удары энергии, это привлекает внимание многих исследователей и производителей. Эффект достигается за счет мелкоячеистой структуры материала, обеспечивающей существенные потери за счет сухого трения, и применения сплавов, в состав которых входят вязкие компоненты.

Среди современных демпфирующих материалов интересным для решения поставленной задачи является материал с запутанной металлической проволокой (EMWM – entangled metallic wire material). Это пористый материал, сделанный из проволоки через серию специальных технологических процессов: спиралевания, растяжения, наматывания и штамповки металлической проволоки. Он может рассеивать энергию вибрации за счет сухого трения между соседними проволоками спирали. Некоторые зарубежные исследователи также используют термины «металлическая резина» (MR), «металлическая проволочная сеткаЦ (MWM) или эластичная пористая проволочная сетка (EPWM)[6].

Благодаря высокой термостойкости материал может применяться как эффективный способ решения проблемы гашения вибрации в суровых условиях.

Известны исследования демпфирующих свойств EMWM в условиях высоких и низких температур. Основные свойства материала приведены ниже. EMWM и его структура под микроскопом показаны на рис. 1.


Николаев_1.jpg

Основные физико-механические свойства EMWM

Название параметра                                                                                                         Величина

Плотность (в зависимости от формовочного давления), кг/м3 .... .................……………В среднем ≈ 2590

Степень поглощения энергии на ударных испытаниях(согласно работе [6]), % ........... В диапазоне 50–85

Диапазон температур, в котором характеристики демпфирования стабильны,°C….От –70 до 300

Материал металлической проволоки.......Нержавеющая сталь 304 (06Cr19Ni10), аналог 03Х18Н11 по ГОСТ 5632–72


Виброизолирующие свойства


Имеются сведения об эффективных виброизолирующих свойствах EMWM как при нормальной, так и повышенной температурах. В работе исследователей Y. Zhu, Y. Wu [6] проводились исследования типовой сварной стальной тавровой конструкции с размерами 650×200 мм и толщиной опорной поверхности 20 мм. Высота стенки составляла 380 мм, толщина – 12 мм.

Конструкция была приварена к листу настила, который поддерживается четырьмя опорами.

Конструкция и неподвижная плита были изготовлены из углеродистой стали обыкновенного качества. ВПП, состоящее из ограничивающей металлической пластины и 4-миллиметрового слоя EWMW крепилось по периметру к конструкции с помощью болтовых соединений (к стенке и полке тавра).

В эксперименте электромагнитный вибростенд передавал сигнал для непрерывного возбуждения конструкции.

Параметры сигнала возбуждения: частотный диапазон – 10–1000 Гц, амплитуда – 80. Форма волны – синусоида.

Отклик конструкции определялся с помощью четырех акселерометров, расположенных на основании. Сигналы возбуждения и реакции записывались и обрабатывались в реальном времени.

Для обеспечения точности измерения собранных частот данные брались с четырех точек.

Среднее виброускорение конструкции, дБ, рассчитывали как

Николаев_2.jpg

где ai – значение ускорения в точке измерения i, F – входная сила в точке возбуждения.

Параметр Z измеряли с установленным в конструкции ВПП и без него.

Температура окружающей среды в эксперименте составляла 20 °C и 300 °C.

Вносимые потери – параметр, характеризующий оценки влияния ВПП на характеристики снижения вибрации фундамента, рассчитывали по формуле

IL=Zc–Z0      , (2)

где Zc – среднее ускорение конструкции с ВПП, Z0 – среднее ускорение конструкции без ВПП.

Результаты вибрационных испытаний конструкции с установленным ВПП и конструкции без ВПП при комнатной температуре и температуре 300 °C представлены на рис. 2.

Николаев_3.jpg

При комнатной температуре пиковое значение вносимых потерь составляет около 3,07 дБ. При высокой температуре средние значения Zc и Z0 возрастают на 5–10 дБ. Причина может объясняться уменьшением модуля Юнга стали при высокой температуре. Среднее значение параметра вносимых потерь ВПП при высокой температуре составляет 4,11 дБ.


Анализ применения EMWM в качестве впп судовых фундаментов


На основании проведенного исследования свойств был проработан вариант судового фундамента под главные или вспомогательные механизмы с применением ВПП на основе EMWM. На рис. 3 показан вариант установки ВПП на фундамент.

Николаев_4.jpg

Механизм работы ВПП состоит в следующем. Вибрация, переданная механизмом в конструкцию фундамента, распространяется на ограничитель (металлическую пластину) 1 через болтовое крепление 3. Толщина ограничителя 1 должна составлять от 0,2 до 0,5 толщины связи фундамента 4 и 5. Возникающие колебания в ограничителе 1 воздействуют на установленный без зазора упругий слой EMWM 2. Колебательный процесс в слое EMWM, обладающей подпружинивающими свойствами, сопровождается потерями вибрационной энергии из-за ее преобразования в тепло. Определяющим является нахождение упругого слоя из EMWM 2, обладающей подпружинивающими свойствами, без зазора между 1 и связью фундамента 4 и 5. При этом создаются условия для передачи колебательной энергии на прессованный слой 2 и создания в нем вибропоглощения[7].


Заключение


Основные выводы, которые можно сделать на основе проведенной работы, заключаются в следующем:

– разработан вариант судового фундамента с использованием вибропоглощающего покрытия на основе материала из металлической проволоки EMWM, который имеет повышенные виброизолирующие свойства;

– демпфирующие свойства ВПП из металлического проволочного материала EMWM стабильны и эффективны при различных температурах;

– значения затухания на низкочастотном диапазоне немного улучшаются при более высокой температуре, чем при комнатной температуре. В среднем значение параметра вносимых потерь ВПП при высокой температуре составляет 4,11 дБ.

Данное ВПП в сочетании с виброзадерживающими массами может найти применение для гашения вибрации судовых конструкций надводных и подводных кораблей ВМФ. Изучение свойств и эффективности данного вибропоглощающего материала может послужить темой для дальнейших исследований.


Литература


1. РД 31.81.81–90. Рекомендации по снижению шума на судах морского флота. – Введены 1992-01-01. – М.: Изд-во стандартов, 1992. – 104 с.

2. Чернавин В.Н., Алексин В.И. Военно-морской словарь – М.:Воениздат, 1990. – 511 с.

3. ОСТ5.1011–87. Фундаменты под вспомогательные механизмы и котлы, изделия, оборудование и устройства. Правила и нормы проектирования. – Введены 1983– 23–08. – М.: Изд-во стандартов, 1984. – 117 с.

4. РД5.1121–87. Фундаменты судовые под главные механизмы. Правила и нормы проектирования. – Введены 1987-16-06. – М.: Изд-во стандартов, 1988. – 104 с.

5. Никифоров А.С. Акустическое проектирование судовых конструкций. – Л.: Судостроение, 1990 – 200 с.

6. Zhu Y., Wu Y., Bai. H. Research on vibration reduction design of foundation with entangled metallic wire material under high temperature.– Engineering research center for metal rubber, Fuzhou University, 2019.

7. Патент РФ RU 2713264, МПК G10K11/00, F16F7/104, F16F15/04 Вибропоглотитель / В.Ю. Кирпичников,

В.В. Савенко, А.П. Кощеев, Р. И. Кильдеев. Заявитель и патентообладатель ФГУП «Крыловский государственный научный центр». – № 2019111808; заявл. 18.04.2019; опубл. 04.02.2020 // Бюл. № 4. Ссылка на бюллетень изобр. https://patents.google.com/patent/RU2713264C1/ru


Cкачать файл: