Когда под действием силы газов на шатун происходит бросок кривошипа, наблюдается временное упругое изгибание коленчатого вала. Результатом этого изгибания являются возникновение осевых колебаний коленчатого вала в продольном направлении, которые через упорный подшипник передаются на корпус судна.
Доминирующий порядок аксиальных колебаний коленчатого вала равен произведению числа цилиндров на частоту вращения двигателя для двигателей с числом цилиндров менее семи. Для двигателей с числом цилиндров более шести, доминирующий порядок аксиальных колебаний равен произведению числа половины цилиндров на частоту вращения двигателя.
|
| Рис. 13. Демпфер аксиальных колебаний. |
Для двигателей с нечетными числом цилиндров в качестве частоты основного порядка Берутся частоты двух порядков, наиболее близкие произведению половины числа цилиндров на частоту вращения коленчатого вала двигателя.
Чтобы противодействия влияния аксиальных колебаний на корпус судна, все двигатели оборудуются демпфером аксиальных колебаний. Непосредственно для коленчатого вала такой демпфер необходим только на двигателях с большим количеством цилиндров (рис. 13).
Пример:
Во введении в производство двигателей нашего МС-ряда демпфер аксиальных колебаний устанавливался стандартно на двигателях с шестью и больше цилиндров. В данных случаях демпфер необходим, потому что резонанс с порядком, соответствующим количеству цилиндров привел бы к слишком высоким напряжениям при броске кривошипа.
Достаточно скоро мы узнали про факт чрезмерных аксиальных колебаний коленчатого вала на ходовых испытаниях танкера LPG с главным двигателем 5L50MC.
Анализ этого случая показал, что коленчатый вал не находился в резонансе. Аксиальные колебания были вызваны явлением совместной вибрации. Вибрации коленчатого вала передавалась на фундаментную раму и далее на двойное дно корпуса, которое, в свою очередь, возвращало энергию вибрации к коленчатому валу. В результате этого весь двигатель и надстройка судна испытывали сильные продольные колебания.
Мы решили решить задачу двумя путями:
На коленчатый вал был установлен демпфер аксиальных колебаний, и на кормовую часть двигателя были установлены продольные амортизаторы.
Эти две контрмеры повлияли на вибрацию коленчатого вала, фундаментной рамы двигателя и надстройки судна. Демпфер аксиальных колебаний фактически устранил первоначальную проблему, а продольные амортизаторы привели уровень вибрации надстройки ниже рекомендованного значения по ISО. С обоими притворенными в жизнь решениями, продольный амортизатор оказывал только незначительное воздействие.
Этот инцидент с учетом опыта некоторых других установленных 5-ти цилиндровых двигателей привел нас к решению устанавливать демпферы аксиальных колебаний стандартно на все наши двигатели.
Крутильные колебания
Изменяющееся давление газа в цилиндрах двигателя в течение рабочего цикла и кривошипно-шатунный механизм создают изменяющийся крутящий момент на коленчатом валу двигателя. Именно эти причины вызывают возбуждение крутильных колебаний системы валопровода.
Подобно другим источникам возмущения, изменяющийся крутящий момент по своей природе является циклическим и поэтому может рассматриваться с помощью гармонического анализа.
Как объяснено в пункте "Источники возмущений" этот анализ позволяет представить изменяющийся крутящий момент как сумму крутящих моментов, действующих с различными частотами, которые являются кратными частоте вращения двигателя.
Подобно другим видам вибрации, крутильные колебания вызывают особые напряжения, которые могут быть вредны для системы валопровода. Напряжения покажут пиковые значения при резонансах, когда частота вращения увеличивается до порядка собственной частоты.
Поэтому, Общества Классификации требуют, чтобы характеристики крутильных колебаний системы «двигатель – валопровод» рассчитывались и их значение удовлетворяли нормам для дополнительных напряжений.
Существуют два предела напряжений системы «двигатель – валопровод»:
Ниже τ1: Определяет уровень напряжения, который может быть превышен только в течение короткого времени, но не в течение длительной работы. Это означает, что главная энергетическая установка должна иметь запрещенный диапазон частот вращения двигателя.
Верхний предел τ2: Не может быть превышен вообще. При рассмотрении линии валопровода определенной длины возможно регулировка ее собственной частоты крутильных колебаний за счет регулировки диаметра. Малый диаметр соответствует низкой собственной частоте, а больший диаметр - высокой собственной частоте. Такое использование диаметра валопровода позволяет понизить собственную частоту.
|
| Рис. 14. Близкое к критическому состояние. Если запрещенный диапазон частот вращения находится близко к рабочему диапазону частот вращения, то эта установка не может использоваться. |
Классификационные общества определили нормы, определяющие диаметр линии валопровода. Разрешается увеличивать диаметр, в то время как уменьшение диаметра требует использования материала с более высоким пределом прочности на разрыв.
Компания на своем опыте для двигателей с различным числом цилиндров может дать следующие рекомендации:
Четырехцилиндровые двигатели, как правило, имеют главный критический резонанс (4-го порядка) наступающий хоть и близко, но выше рабочего диапазона вращения двигателя. Таким образом, при неблагоприятных случаях необходимо увеличивать диаметр валопровода относительно заданных правилами класса для уменьшения собственной частоты колебаний и обеспечения, таким образом, переноса критической зоны частот вращения на 40 ÷ 45 % выше рабочего диапазона частот вращения двигателя.
Пятицилиндровые двигатели, как правило, имеют главный критический резонанс (5-го порядка) наступающий хоть и близко, но ниже рабочего диапазона вращения двигателя.
| 
|
| Рис. 15. Сверхкритическое состояние. | Рис. 16. Докритическое состояние. |
Если диаметр валопровода выбран согласно правилам Регистра, резонанс с зоной запрещенных частот вращения будет находится очень близко к рабочему диапазону частот вращения двигателя, вводя запрещенный диапазон частот вращения (рис. 14). Обычным и наиболее правильный способ решения вопроса по недопустимому положению запрещенного диапазона частот вращения состоит в увеличении диаметра промежуточного вала, сопрягаемого с коленчатым валом двигателя или использовании лучшего материала для изготовления валопровода с более высоким пределом прочности на разрыв. Это называется сверхкритическим положением, потому что рабочий диапазон частот вращения находится выше резонанса (рис. 15).
В некоторых случаях выбирается решение установки промежуточного вала большого диаметра, чтобы перенести резонанс за пределы рабочих режимов (выше MCR). Это называется докритическим положением, потому что рабочий диапазон частот вращения находится при этом ниже резонанса (рис. 16).
Кроме ухода от запрещенного диапазона частот вращения, этот решение характеризуется довольно сильными изменениями крутящего момента валопровода индуцируемых довольно быстрыми изменениями упора в воде, которые называются крутильными колебаниями вызываемыми изменением упора гребного винта.
Шестицилиндровые двигатели выполняются в нормальном исполнении с валопроводом с диаметром согласно правил Регистра и следовательно с запрещенным диапазоном частот вращения.
Семицилиндровые двигатели и двигатели с большим количеством цилиндров испытывают меньшие возмущения и у них обычно отсутствует запрещенный диапазон частот вращения.
Пример:
Ряд танкеров, оборудованных двигателями 5L80MCE были оснащены системой валопроводов большего диаметра, чем предписывается Классификационными обществами и не имели компенсатора для избегания запрещенного диапазона частот вращения. В течение морского испытания изменения упора гребного винта вызвали крутящие колебания величиною около 30 % от среднего упора и сильные продольные колебания фундаментной рамы двигателя и надстройка судна.
Поскольку полную замену валопровода посчитали фактически невозможной (дорогой и трудоёмкой), усилия по ограничению сильных продольных колебаний были сконцентрированы на продольной амортизации двигателя. После нескольких попыток стало очевидно, что необходимо усиление стальной палубы в носовой части двигателя для увеличения ее жесткости. После того, как это укрепление набора было выполнено, уровни вибрации стали приемлемыми.
Выводы:
Если необходимое рассмотрение вопросов вибрации производится на раннем этапе, возможность противодействия возмущающим колебаниям получает хороший коэффициент безопасности против потенциальных угроз вибрации.
При этом подчеркиваем, что существенная проблема в этих вопросах является взаимодействие двигателя с судном, а не просто величина источника возмущения.