авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

Разработка метода комплексного анализа динамики и прочности трубопроводных систем с гасителями колебаний рабочей жидкости

-- [ Страница 4 ] --

В шестой главе представлены результаты экспериментальных исследований динамических характеристик гидромеханических систем, выполненных с помощью созданного под руководством и при участии автора стендового оборудования, позволяющего исследовать широкий спектр динамических процессов.

Разработаны методики анализа данных исследований быстропеременных, в том числе неустановившихся, процессов в элементах гидромеханических систем, основанные на применении цифрового (дискретного) вейвлет-анализа. В частности, разработана экспериментальная методика определения собственных частот гидромеханической системы на базе вейвлет-анализа данных теста с вариацией скорости. По сравнению с традиционными процедурами оконного преобразования Фурье она позволяет решать задачу определения собственных частот с большей точностью в частотной области и достоверностью, при высокой степени автоматизации вычислительных алгоритмов и незначительном увеличении вычислительных затрат. Расчетные соотношения разработанной методики построены на базе использования вейвлета Морлета. Однако после некоторой доработки методику можно адаптировать и к другим типам вейвлетов. Разработаны рекомендации к выбору параметров вейвлет-преобразования. Методика предусматривает выполнение следующих вычислительных процедур: расчет коэффициентов вейвлет-преобразования; выделение гребней на поверхности амплитуд вейвлет-коэффициентов; построение скелетных кривых; определение зависимостей амплитуд вейвлет-коэффициентов на выделенных скелетных кривых от мгновенного значения соответствующей частоты колебательной компоненты; выделение из этих зависимостей собственных частот. Зависимость амплитуды вейвлет-коэффициентов на одной из выделенных скелетных кривых от мгновенного значения частоты пульсаций давления в топливной системе авиационного двигателя представлена на рис. 20. На рисунке наложено две кривые, одна из которых соответствует разгону, другая – снижению частоты вращения привода насоса. Анализ данной зависимости позволяет выделить собственные частоты – 470, 873 и 1680 Гц.

Разработана методика экспериментального определения демпфирующих характеристик элементов механических систем на базе вейвлет-анализа функции импульсного отклика. Она предусматривает построение проекции поверхности амплитуд коэффициентов вейвлет-преобразования импульсного отклика системы, расчет скелетной кривой и аппроксимацию ее убывающей части экспонентой, модуль показателя которой пропорционален логарифмическому декременту затухания. Эти этапы выполнения методики для натурного трубопровода проиллюстрированы на рис. 21.

Рис. 21. Вейвлет-преобразование собственных затухающих колебаний трубопровода: а) проекция поверхности амплитуды вейвлет-коэффициентов;
б) сечение поверхности амплитуды вейвлет-коэффициентов плоскостью ; 1 - аппроксимация сечения при b>b0.



Разработана полуэмпирическая модель распространения волновых процессов в рабочей жидкости в металлических рукавах (шлангах). Их особенностью является существенная частотная зависимость приведенной скорости звука в жидкости, а также заметное увеличение демпфирования колебаний жидкости по длине шланга.

На рис. 22 представлен график полуэмпирической зависимости модуля объемной упругости металлического рукава от частоты колебаний, экспериментальные данные, полученные лично автором () и другими исследователями (•). На рис. 23,а изображена полученная экспериментально амплитудная частотная характеристика металлического рукава, нагруженного на акустически закрытый конец. Максимальные зарегистрированные величины относительных амплитуд на резонансах не превышают 3…4. В то же время их максимальные значения, полученные автором при исследовании АЧХ металлических трубопроводов аналогичной длины, на резонансах доходят до 20…30. Это свидетельствует о существенном демпфировании колебаний рабочей жидкости по длине металлического рукава, которое может быть объяснено потерями энергии на трение в оплетке. Получены полуэмпирические зависимости для амплитудо-фазовых частотных характеристик пульсаций жидкости. В частности, для случая нагрузки на акустически закрытый конец можно записать следующие выражения для амплитудной и фазовой частотных характеристик:

, ,

где - коэффициент фазы; l – длина металлического рукава.

Для рукава, амплитудная и фазовая частотные характеристики которого представлены на рис. 23 для и k получены следующие эмпирические формулы:

, ,

где - коэффициент затухания для металлического трубопровода таких же размеров; f – частота колебаний.

а) б)
Рис. 23. Амплитудная (а) и фазовая (б) частотные характеристики тупикового металлического рукава:
- эксперимент; - расчет.

Разработана расчетно-экспериментальная методика исследования динамических характеристик присоединенной гидравлической цепи (нагрузки) с использованием двух датчиков давления и элемента цепи с известными характеристиками.

Проведены экспериментальные исследования комплекса собственных характеристик гасителей колебаний давления на базе метода, предусматривающего три опыта, использующих элемент трубопроводной цепи с известными частотными характеристиками и трех датчиков давления. Результаты экспериментов для одного из исследованных гасителей (см. рис. 24) представлены на рис. 25.

Проведены экспериментальные исследования динамических процессов в гидросистеме пресса Erfurt. При работе пресса происходило разрушение трубопроводов сливной магистрали (рис. 26), приводящее к сбою работы конвейера сборки автомобилей и потере нескольких тонн гидравлического масла. Было установлено, что причиной поломок являются гидроударные процессы в трубопроводной системе и вызываемая ими вибрация трубопроводов (рис. 27). На основе разработанного метода анализа виброакустических характеристик трубопроводных систем был предложен комплекс мероприятий по уменьшению динамической нагруженности - введение в систему гидроаккумуляторов, снижающих интенсивность гидроударных процессов, и установка дополнительных опор трубопроводов, исключающих их резонансы. Реализация указанного комплекса мероприятий позволила снизить пиковые значения вибрации трубопроводов в 2.5 - 3.5 раз (рис. 28).

Рис. 27. Временные реализации давления и виброускорения. Коллектор сливной магистрали.

Проведены экспериментальные исследования динамических процессов в стенде для наземных испытаний рулевых машин ракетоносителя. При проведении штатных испытаний наблюдалась повышенная вибрация стенда. Через 20-40 мин работы происходило образование продольных трещин на трубопроводах напорной магистрали и нарушение работоспособности.

Исследования показали высокий уровень пульсаций давления в напорной магистрали и подтвердили гипотезу, что причиной повышенной вибрации элементов трубопроводной системы является высокая пульсационная производительность плунжерного насоса.

а) б)

Рис. 29. Амплитуды гармоник пульсаций давления (а) и виброскорости (б) до и после установки гасителя колебаний:

- до установки; - после установки гасителя.

Для эффективного снижения интенсивности всех колебательных компонент в спектре давления на выходе из насоса был установлен гаситель колебаний жидкости. Его применение снизило среднеквадратичное значение пульсаций более чем в 30 раз (рис. 29). Замеры вибрации на трубопроводе в месте его разрушения показали снижение виброскорости более чем в 6 раз. Введение в гидросистему гасителя колебаний позволило обеспечить работоспособность и заданный ресурс испытательного стенда.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена крупная научно-техническая проблема, имеющая важное хозяйственное значение для обеспечения работоспособности трубопроводных систем машин и оборудования в условиях действия динамических нагрузок в виде пульсирующего потока рабочей жидкости и вибрации с учетом их взаимодействия.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие основные результаты:

1. Разработан метод оценки динамических и прочностных характеристик трубопроводных систем с гасителями колебаний рабочей жидкости в условиях воздействия на них статического и динамического нагружения.

2. Разработана математическая модель динамики трубопроводной системы с гасителем колебаний жидкости, обеспечивающая расчет ее акустических, вибрационных и прочностных характеристик.

3. Разработан метод конечно-элементного моделирования виброакустических и прочностных характеристик трубопроводных систем, основанный на использовании программного комплекса ANSYS. Высокая точность расчетов сопровождается большими вычислительными затратами, не позволяющими моделировать пространственно сложные разветвленные трубопроводные системы. Разработанный метод целесообразно использовать при проверочных расчетах виброакустических характеристик наиболее ответственных трубопроводных участков в случаях высоких частот колебаний, когда нельзя пренебречь деформациями поперечного сечения трубопровода.

4. Разработана обобщенная математическая модель виброакустики и прочности трубопроводных систем сложной пространственной конфигурации, учитывающая одновременное воздействие на систему силового возбуждения со стороны рабочей жидкости, кинематического возбуждения от присоединенных опор и агрегатов. Модель получена для случая двухсвязанности колебаний, когда не только пульсации рабочей жидкости вызывают вибрацию трубопроводной системы, но и колебания механической подсистемы воздействуют на волновые процессы в рабочей жидкости. Вычислительная трудоемкость разработанной модели на два-три порядка ниже, чем конечно-элементной модели в программном комплексе ANSYS.

5. Как частный случай обобщенной математической модели виброакустики трубопроводных систем рассмотрена задача односвязанных колебаний, т.е. вибрации трубопровода от действия пульсаций рабочей среды, когда его движение не вызывает в жидкости никаких дополнительных волновых процессов. Предложена конечно-разностная аппроксимация и схема решения полученной системы дифференциальных уравнений. Исследована устойчивость разработанной конечно-разностной схемы.

6. Предложен комплексный метод проектирования трубопроводных систем, обеспечивающий требуемые виброакустические и прочностные характеристики в условиях одновременного воздействия на трубопроводы статического нагружения давлением и динамического нагружения пульсациями рабочей жидкости, кинематического возбуждения со стороны опор и присоединенных агрегатов, температурных и внешних силовых нагрузок.





7. Разработана методика конечно-элементного моделирования динамических характеристик гасителей колебаний. Она учитывает распределенность параметров гасителя и может применяться при частотах , где известные аналитические методики не обеспечивают требуемой точности. Использование методики целесообразно при проверочных расчетах акустических характеристик гасителей колебаний рабочей жидкости.

8. Разработана методика проектирования гасителя колебаний для решения задачи заданного снижения виброакустической нагруженности трубопроводной системы с учетом его прочностных характеристик.

10. Разработанные методы анализа и моделирования, средства коррекции динамических характеристик гидромеханических систем и гасители колебаний жидкости внедрены в ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогрес», в ОАО «Самарское конструкторское бюро машиностроения», на Сызранской ТЭЦ. Они позволили снизить амплитуды пульсаций давления рабочей среды до 30 раз, амплитуды вибрации – до 6 раз.

Основные публикации по теме диссертации

Монографии:

1. Гимадиев А.Г., Крючков А.Н., Леньшин В.В., Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В., Шестаков Г.В., Шорин В.П. Снижение виброакустических нагрузок в гидромеханических системах. – Самара, СГАУ, 1998. – 270 с.

2. Иголкин А.А., Крючков А.Н., Макарьянц Г.М., Прокофьев А.Б., Прохоров С.П., Шахматов Е.В., Шорин В.П. Снижение колебаний и шума в пневмогидромеханических системах. – Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2005. – 314 с.

Статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

3. Прокофьев А.Б. Расчет собственных частот и форм колебаний трубопроводов с помощью программного комплекса // Изв. СНЦ РАН. – г. Самара, СНЦ РАН, 1999, №2. – С. 335-342.

4. Прокофьев А.Б., Шестаков Г.В. Оптимизация профиля инерционного элемента гасителей колебаний // Вестник СГАУ. Серия: Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Вып. 3, Ч.2. – Самара, СГАУ, 1999. – С. 60-68.

5. Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В. Виброакустическая модель прямолинейного неоднородного трубопровода при его силовом возбуждении пульсациями рабочей жидкости // Изв. СНЦ РАН. – Самара, 2000, Т.2, №1. – С.135-140.

6. Прокофьев А.Б., Шестаков Г.В. Оценка погрешности расчета коэффициента вносимого затухания при неучете распределенности параметров гасителя колебаний // Вестник СГАУ. Серия: Проблемы и перспективы развития двигателестроения. – Самара, СГАУ, 2000, Вып. 4, Ч. 2. – С. 86-90.

7. Журавлев О.А., Комаров С.Ю., Попов К.Н., Прокофьев А.Б. Разработка автоматизированного метода исследования вибрационных характеристик энергоустановок // Компьютерная оптика. – Самара, ИСОИ РАН, №21, 2001. – С. 7-11.

8. Комаров С.Ю., Прокофьев А.Б., Шапошников Ю.Н., Щеглов Ю.Д. Исследование колебаний трубопровода методом цифровой спекл-интерферометрии // Известия СНЦ РАН. – Самара, СНЦ РАН, 2002, Т.4, №1(7) – С. 87-90.

9. Иголкин А.А., Крючков А.Н., Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В. Исследование влияния подачи воздуха во всасывающую магистраль центробежного насоса на его виброакустические характеристики // Вестник СГАУ. – Самара, СГАУ, 2002, №1. – С.78-83.

10. Макарьянц Г.М., Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В. Моделирование виброакустических характеристик трубопровода с использованием метода конечных элементов // Изв. СНЦ РАН. – Самара, СНЦ РАН, 2002, Т.4, №2(8) – С. 327-323.

11. Леньшин В.В., Макарьянц Г.М., Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В. Выбор конструктивно-режимных критериев, наибольшим образом влияющих на работоспособность насосов ГТД // Вестник СГАУ. Спец. выпуск. Ч.2. – Самара, СГАУ, 2003. – С. 66-75.

12. Макарьянц Г.М., Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В. Анализ методик расчета виброакустических характеристик криволинейного трубопровода при его силовом возбуждении // Вестник СГАУ. Спец. выпуск. Ч.2. – Самара, СГАУ, 2003. – С. 342-345.

13. Макарьянц Г.М., Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В. Влияние динамических характеристик присоединенных гидравлических цепей на вибрационные характеристики трубопроводов // Вестник СГАУ. – Самара, СГАУ, 2004, №1. – С.96-101.

14. Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В. Использование вейвлет-анализа свободных колебаний трубопроводной системы при оценке характеристик демпфирования// Изв. СНЦ РАН. – Самара, СНЦ РАН, 2004, Т.6, №2(12) – С. 354-363.

15. Прокофьев А.Б. Определение собственных частот системы на базе вейвлет-анализа данных теста с вариацией скорости // Изв. СНЦ РАН. – Самара, СНЦ РАН, 2006, Т.7, №2 – С. 405-414.

16. Миронова Т.Б., Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В. Возбуждение пульсаций давления в рабочей жидкости при вибрации трубопровода // Вестник СГАУ. – Самара: СГАУ, №2(10), Ч.2, 2006. – С. 161-164.

17. Макарьянц Г.М., Прокофьев А.Б. Разработка принципиальной схемы экспериментального комплекса исследования виброакустических характеристик амортизаторов транспортных средств // Изв. СНЦ РАН. Спец. выпуск «Безопасность. Технологии. Управление». Т.2. – Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2007. – С. 135-138.

18. Астафьев В.И., Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В. Анализ собственных частот и форм колебаний жидкости в прямоугольной области в двухмерной задаче // Изв. СНЦ РАН. – Самара, СНЦ РАН, 2007, Т.9, №3 – С. 657-663.

Статьи и материалы конференций:

19. Макарьянц Г.М., Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В. Некоторые результаты экспериментальных исследований виброакустических характеристик элементов гидромеханических систем // Научно-технический сборник Ракетно-космическая техника. Расчет, проектирование, конструирование и испытания космических систем. Серия XII. Вып. 1. – Самара, ВКБ РКК Энергия, 1999. – С. 191-201.

20. Kruchkov A.N., Lenchine V.V., Prokofiev A.B., Shakhmatov E.V. The investigation of vibroacoustical activity of the combined fuel pump // The Journal of the Acoustical Society of America. 139th Meeting Acoustical Soc. of America. – Vol. 107, №5, Pt2 – Atlanta, USA, 2000 – P.2877.

21. Lenchine V.V., Prokofiev A.B., Shakhmatov E.V. Diagnostics of vibration excitation mechanisms for complex hydromechanical systems // The Journal of the Acoustical Society of America. 140th Meeting Acoustical Soc. of America. – Vol. 108, №5 – Newport Beach, USA, 2000 – P.2500.

22. Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В. Виброакустическая модель прямолинейного участка трубопроводной системы с гасителем колебаний в условиях силового возбуждения пульсациями рабочей жидкости // Научно-технический сборник Ракетно-космическая техника. Расчет, проектирование, конструирование и испытания космических систем. Серия XII. Вып. 1. – Самара, ВКБ РКК Энергия, 2000. – С. 120-131.

23. Прокофьев А.Б. Моделирование акустических процессов в трубопроводных системах с использованием программного комплекса ANSYS // Сборник докладов международной научно-технической конференции, посвященной памяти генерального конструктора аэрокосмической техники Н.Д. Кузнецова. – Самара, СГАУ, 2001, Ч.2. – С. 89-96.

24. Макарьянц Г.М., Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В. Использование численных методов при моделировании собственных колебаний трубопроводных систем // Сборник трудов третьей конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH. – М.: Полигон-пресс, 2003. – С. 401-408.

25. Иголкин А.А., Крючков А.Н., Прокофьев А.Б. Исследование влияния особенностей пусковых операций на работоспособность и виброакустические характеристики насосного агрегата турбогенератора // Труды международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке» – СПбг: СПбГПУ, 2003. – С. 238-246.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.