Тема работы: Расчёт общей и местной вибрации корабля. Тема работы: Расчёт общей и местной вибрации корабля Причины сильной вибрации на судне

Вибрация на корабле.

Кроме шума другим сильно выраженным физическим фактором, действующим в условиях корабля является вибрация.

Как известно, вибрация - это механические колебательные движения, передающиеся телу человека или отдельным его частям от источников колебаний.

Источники вибрации:

1. Гребные винты

2. Двигатель, механизмы проворачивания

3. Удары волн

4. Вибрация после выстрелов, взлетов.

Вибрация бывает:

1) Местная

Естественно, что на корабле преобладает общая вибрация.

В результате действия вибрации развивается профессиональное заболевание - вибрационная болезнь.

Особенно опасно совпадение частоты вибрации с собственной частотой колебания тела человека или отдельных органов.

Для стоящего человека резонансными частотами являются частоты 5-15 Гц, для сидящего - 4-6 Гц, собственная частота желудка составляет 2 Гц, сердца и печени - 4 Гц, мозга - 6-7 Гц.

При совпадении вынуждающей частоты с собственной частотой колебания органа наблюдается явление резонанса и, как следствие, висцероптозы (опущение внутренних органов). Под воздействием общей вибрации развиваются поражения ЦНС, вегетативной нервной системы, сердечно-сосудистой системы, возникает нарушение обменных процессов, быстрая утомляемость и др. Под действием общей вибрации также может происходить повреждение позвоночника за счет смещения межпозвоночных дисков.

По частоте вибрации могут быть

1) Низкочастотные (до 35 Гц). При этом поражаются нервы, мышцы, костный аппарат.

2) Высокочастотные (100 - 150 - 250 Гц). Поражаются в основном сосуды.

Профилактика вибрационных воздействий:

1. Технологические методы, (уравновешивание двигателей, частей двигателей и тд.).

2. Виброизоляция (амортизаторы, прокладки и тд.).

3. Эксплутационные методы (изменение резонансной частоты за счет, например, изменения частоты колебаний корабля).

4. Индивидуальная защита включает в себя обувь на виброгасящей подошве (толстая резина), виброкресла, вибропояса и тд.

Качка - это разновидность вибрации. Качка может быть (по направлению)

1) Бортовая (поперечная)

2) Килевая (продольная)

3) Вертикальная Последствиями качки могут быть

1. Смещение органов

2. Раздражение оболочек органов

3. Боль в органах (печень, селезенка)

4. Тошнота, рвота, нарушение сна, головокружение из-за нарушения вестибулярного аппарата - синдром морской болезни.

Профилактика качки (морской болезни):

1) Технические мероприятия (приспособления - успокоители качки)

2) Личные мероприятия (необходимы движения, совершение работы и тд)

3) Усиленная вентиляции.

Все нагрузки, вызывающие вибрацию корпуса корабля и его отдельных конструкций, целесообразно разделить на четыре вида.

К первому виду отнесем меняющиеся во времени силы, которые появляются вследствие неточностей, допущенных при изготовлении и монтаже судовых механизмов, валопроводов, гребных винтов.

Ко второму виду принадлежат нагрузки, связанные с тем, что гребные винты корабля работают за корпусом и в непосредственной близости от него.

Третий вид нагрузок составляют силы, вызванные воздействием на судно морского волнения.

Наконец, к четвертому виду будем относить различные динамические нагрузки, появляющиеся в специфических условиях эксплуатации судна: при взрывах, ударах о лед, ударах при швартовке и столкновениях и т.п.

Нагрузки, вызванные неточностями изготовления механизмов, валопроводов, винтов

Одним из основных дефектов, приводящих к появлению вибрационной нагрузки, следует считать неполную сбалансированность вращающихся или движущихся поступательно масс, которая может наблюдаться у главных и вспомогательных двигателей, редукторов, гребных валов и винтов.

При статической неуравновешенности центр тяжести вращающейся части не лежит на оси вращения. Пусть а - отстояние центра тяжести от оси вращения, т - масса, ? - угловая скорость.

Тогда на ротор действует радиальная (вращающаяся) сила:

F = та? 2, которая передается на подшипники и фундамент механизма в виде периодической нагрузки.

Рис. 1.1

На рис.1.1 показан вал с двумя дисками, центры тяжести которых сдвинуты в противоположные стороны от оси вращения на одинаковые расстояния а. Такой ротор статически уравновешен.

Рис. 1.2

Если части вала имеют искривления, либо плоскости их фланцев не перпендикулярны к оси (рис.1.2), после соединения фланцев и затяжки болтов на опорах вала возникают реакции, изменяющие направления действия по мере поворота вала

Существование упругого прогиба могут привести к резонансным колебаниям системы винт - валопровод и к резкому возрастанию вибрационной нагрузки на корпус. Поэтому валопроводы всегда проектируются так, чтобы критическая частота была существенно выше любой эксплуатационной частоты вращения вала.

Гребные винты наряду со статической и динамической неуравновешенностью могут быть несбалансированны гидродинамически. Иначе говоря, на гребной винт будут действовать гидродинамическая сила и момент, векторы которых перпендикулярны к оси гребного вала. Вращаясь вместе с винтом, эти сила и момент, передающиеся через подшипники корпусу, создают периодическую нагрузку, изменяющуюся с частотой, равной частоте вращения гребного вала.

Таким образом, статическая и динамическая неуравновешенность роторов, неточность изготовления гребного винта и валопровода приводят к появлению вибрационной нагрузки первого порядка, изменяющейся с частотой вращения вала Q.

При расчете вибрации периодические возмущающие силы и моменты, передаваемые двигателем на фундамент, могут быть представлены в виде суммы гармоник:

где F, M - возмущающие сила и момент;

? 0 - круговая частота вращения вала двигателя;

б i -, в i - начальные фазы составляющих силы и момента.

Тщательной балансировкой многоцилиндрового поршневого двигателя, устранением неравномерности рабочих циклов в цилиндрах удается свести к минимуму или полностью устранить создаваемую им вибрационную нагрузку низших порядков.

Опрокидывающими моментами и горизонтальными силами не исчерпывается многообразие вибрационных нагрузок, источником которых служат двигатели внутреннего сгорания. Так, неполная сбалансированность движущихся масс приводит к появлению моментов, вращающих двигатель относительно осей вертикальной (рыскание) и поперечной горизонтальной (галопирование). Динамические нагрузки, имеющие случайный характер, создаются в результате неидентичности воспламенения и сгорания топлива в цилиндрах.

Нагрузки, вызванные работой гребных винтов за корпусом

Действие нагрузок, связанных с работой гребных винтов за корпусом в непосредственной близости от него, представляет собой наиболее существенную причину вибрации судна.

Винт, работающий за корпусом судна, возбуждает два вида вибрационной нагрузки: нагрузку, передающуюся корпусу через подшипники и непосредственно приложенную к обшивке в виде пульсирующих давлений.

Нагрузка, передающаяся корпусу через подшипники

Неоднородность потока, набегающего на винт, создается вследствие нескольких причин, среди которых важнейшую роль играет так называемый попутный поток.

Осевая V x (направленная вдоль оси гребного вала) и окружная V t составляющие скорости регулярной части попутного потока могут быть рассчитаны или измерены с использованием I модельного эксперимента.

Осевую составляющую удобно представить в виде суммы:

V x = v 0 + v x ,

где v 0 - скорость судна; v x - зависящая от координат в плоскости диска винта составляющая осевой скорости.

Пример изменения v x и V t за один оборот лопасти двухвинтового судна показан на рис.1.3

Рис 1.3 Пример изменения v x /v 0 и V t /v 0 за один оборот лопасти.

Вибрация на корабле.

Кроме шума другим сильно выраженным физическим фактором, действующим в условиях корабля является вибрация.

Источники вибрации:

1. Гребные винты

2. Двигатель, механизмы проворачивания

3. Удары волн

4. Вибрация после выстрелов, взлетов.

Вибрация бывает:

1) Местная

Естественно, что на корабле преобладает общая вибрация.

В результате действия вибрации развивается профессиональное заболевание - вибрационная болезнь.

По частоте вибрации могут быть

1) Низкочастотные (до 35 Гц). При этом поражаются нервы, мышцы, костный аппарат.

2) Высокочастотные (100 - 150 - 250 Гц). Поражаются в основном сосуды.

Профилактика вибрационных воздействий:

1. Технологические методы, (уравновешивание двигателей, частей двигателей и тд.).

2. Виброизоляция (амортизаторы, прокладки и тд.).

Качка - это разновидность вибрации. Качка может быть (по направлению)

1) Бортовая (поперечная)

2) Килевая (продольная)

3) Вертикальная Последствиями качки могут быть

1. Смещение органов

2. Раздражение оболочек органов

3. Боль в органах (печень, селезенка)

Профилактика качки (морской болезни):

1) Технические мероприятия (приспособления - успокоители качки)

2) Личные мероприятия (необходимы движения, совершение работы и тд)

3) Усиленная вентиляции.

4) Тренировка

5) Питание только холодными блюдами в небольшом количестве и обязательно с включением соленых и кислых продуктов.

6) Медикаментозная коррекция при помощи фармакологических препаратов (аэрон, аппликации скополамина на мочку уха или за ухо, эфедрин и др.)

Вибрация

РУКОВОДСТВО ПО ИЗМЕРЕНИЮ ВИБРАЦИИ
И ОЦЕНКЕ ЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧЕЛОВЕКА
НА ПАССАЖИРСКИХ И ТОРГОВЫХ СУДАХ

ISO 6954:2000
Mechanical vibration - Guidelines for the measurement, reporting and evaluation
of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships
(IDT)

Москва
Стандартинформ
2010

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Автономной некоммерческой организацией «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем» (АНО «НИЦ КД»)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 183 «Вибрация, удар и контроль технического состояния»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2009 г. № 857-ст

4 Настоящий стандарт является идентичным по отношению к международному стандарту ИСО 6954:2000 «Вибрация. Руководство по измерению и представлению вибрации и оценка ее воздействия на человека на пассажирских и торговых судах» (ISO 6954:2000 «Mechanical vibration - Guidelines for the measurement, reporting and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships»).

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации и межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

Введение

Вибрация на судах является негативным фактором, мешает в выполнении служебных заданий, влияет на степень комфорта и служит причиной жалоб со стороны членов экипажа и пассажиров.

В настоящем стандарте приведено руководство по оценке условий обитания для различных зон на судне. Условия обитания оцениваются на основе измерений общего среднеквадратичного значения корректированного по частоте ускорения в диапазоне частот от 1 до 80 Гц.

Настоящий стандарт устанавливает требования к измерительной аппаратуре, методам проведения измерений и анализа вибрации.

Результаты измерений, проведенных в соответствии с настоящим стандартом, могут быть использованы:

При проверке соответствия уровня вибрации техническим требованиям;

Для сравнения с вибрацией на других судах;

Для разработки и совершенствования стандартов в области вибрации.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Вибрация
РУКОВОДСТВО ПО ИЗМЕРЕНИЮ ВИБРАЦИИ И ОЦЕНКЕ ЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧЕЛОВЕКА НА ПАССАЖИРСКИХ И ТОРГОВЫХ СУДАХ

Vibration. Guidelines for the measurement and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships

Дата введения - 2011-01-01

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает руководство по оценке вибрации с точки зрения условий обитания (степени комфорта) на пассажирских и торговых судах, а также требования к средствам и методам измерения вибрации в местах постоянного нахождения пассажиров и экипажа.

Настоящий стандарт не распространяется на оценку низкочастотной вибрации, которая может служить причиной морской болезни.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ИСО 2631-1:1997 Вибрация и удар. Оценка воздействия общей вибрации на человека. Часть 1. Общие требования (ISO 2631-1:1997, Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 1: General requirements)

ИСО 2631-2 Вибрация и удар. Оценка воздействия общей вибрации на человека. Часть 2. Вибрация в зданиях в диапазоне частот от 1 до 80 Гц (ISO 2631-2, Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 2: Vibration in buildings (1 Hz to 80 Hz)

ИСО 8041 Воздействие вибрации на человека. Средства измерений (ISO 8041, Human response to vibration - Measuring instrumentation)

3 Средства измерений вибрации

3.1 Общие требования

Средства измерений должны удовлетворять требованиям ИСО 8041.

Допускается использование аппаратуры, соответствующей требованиям ИСО 8041, у которой измерительная шкала охватывает область свыше 80 Гц при условии, что характеристики фильтра отвечают требованиям ИСО 2631-2 (см. ).

Поверку средств измерений следует проводить не реже, чем раз в два года. В документации должна быть указана дата проведения последней поверки.

3.2 Проверка работоспособности

Перед проведением измерений и после их окончания необходимо проверить работоспособность каждого измерительного канала.

4 Точки и направления измерений

4.1 Местоположение датчиков вибрации

Точки установки датчиков вибрации выбирают в обитаемых зонах на каждой палубе, а их количество должно быть достаточным, чтобы характеризовать вибрацию судна с точки зрения ее воздействия на пассажиров и экипаж.

Направления измерений должны совпадать с тремя осями судна: продольной, траверзной и вертикальной.

5 Условия проведения измерений

Измерения вибрации проводят, в первую очередь, при приемных или ходовых испытаниях судна. Для получения сопоставимых и надежных результатов необходимо, чтобы в процессе измерений выполнялись следующие условия:

a) судно движется свободно по прямому курсу; 1)

b) двигатель работает в представительном режиме с постоянной выходной мощностью;

c) волнение не превышает 3 баллов;

d) гребной винт полностью погружен;

e) глубина не менее чем в пять раз превышает осадку судна.

Любые отклонения от указанных условий должны быть зафиксированы в протоколе испытаний.

1) Под свободным движением понимается движение судна с постоянной скоростью и постоянным курсом в пределах перекладки руля на левый и на правый борт 2°.

6 Метод измерений

По меньшей мере, в двух точках на каждой палубе измерения должны быть проведены в трех направлениях. В остальных точках измеряют только вертикальную составляющую вибрации.

Для оценки вибрации независимо от направления измерений применяют комбинированную функцию частотной коррекции по ИСО 2631-2.

Приложение А
(обязательное)
Функция частотной коррекции

Используемая в настоящем стандарте функция частотной коррекция представляет собой комбинированную функцию частотной коррекции по ИСО 2631-2 (см. таблицу А.1 и рисунок А.1).

1 - функция частотной коррекции для ускорения; 2 - функция частотной коррекции для скорости

Рисунок А. 1 - Комбинированные функции частотной коррекции с учетом полосовой фильтрации

Таблица А.1 - Значения комбинированной функции частотной коррекции в третьоктавных полосах в диапазоне частот от 1 до 80 Гц (рассчитаны на основе истинных значений среднегеометрических частот третьоктавных полос с учетом полосовой фильтрации

xa	Частота, Гц		Для ускорения	Для скорости
xa	Номинальная	Истинная	Коэффициент W a	Коэффициент W a


































а х обозначает номер полосы частот в соответствии с МЭК 61260					Владелец:
Тип судна:	Место приписки:	Верфь, номер	Дата постройки
Характеристики корпуса		Характеристики главного двигателя
Длина между перпендикулярами, м:			Число цилиндров:
Теоретическая ширина, м:	Осадка, м:		Мощность, кВт:
Высота борта, м:	Дедвейт, т:	Частота вращения, мин-1:	Передаточное число:
Характеристики гребныхвинтов		Условия измерений
Количество и тип:	Количество лопастей:	Волнение:	Скорость и направление ветра:
Диаметр, м:	Наклон в градусах;	Осадка носом, м:	Средняя осадка, м:
Частота вращения, мин-1:		Осадка кормой, м:	Глубина, м:
Примечания:

Тип и характеристики измерительной аппаратуры

Результаты измерений

(ИСО 2631-1:1997) «Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека. Часть 1. Общие требования»

Место установки датчика	Направление измерений	Общее среднеквадратичное значение корректированной вибрации
Место установки датчика	Направление измерений	ускорение, мм/с2	скорость, мм/с



		ГОСТ 31191.2-2004 (ИСО 2631-2:2003) «Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека. Часть 2. Вибрация внутри зданий»
		ГОСТ ИСО 8041-2006 «Вибрация. Воздействие вибрации на человека. Средства измерений»
Примечание - В настоящей таблице использованы следующие условные обозначения степени соответствия стандартов: IDT - идентичные стандарты; MOD - модифицированные стандарты.

Библиография

ISO 2041, Mechanical vibration, shock and condition monitoring – Vocabulary

IEC 61250, Electroacoustics - Octave-band and fractional-octave-band filters

Ключевые слова: вибрация, судно, оценка вибрации, пассажиры, экипаж

При расчетах общей вибрации корпус судна считают безопорной балкой с изменяющимися вдоль ее оси массой и характеристиками жесткости.

Центр инерции массы А (рис. 11) в каждом поперечном сечении с достаточной точностью можно считать лежащим на оси симметрии на расстоянии от горизонтальной главной центральной оси (В - центр жесткости).

Практический интерес представляют расчеты двух типов общих колебаний:

а) поперечных колебаний в вертикальной плоскости (вертикальная вибрация);

б) совместных поперечных в горизонтальной плоскости и крутильных колебаний (горизонтально-крутильная вибрация).

Расчет общих колебаний корпуса в вертикальной плоскости.

При расчетах общей вертикальной вибрации корпуса судна как балки применяют уравнение Тимошенко, учитывающее деформации поперечного сдвига и инерцию вращения поперечных сечений. Массу балки следует рассчитывать с учетом присоединенных масс воды, которые зависят от числа узловых точек формы колебаний. При определении изгибной жесткости учитывают, что пояски балки, образованные палубами, днищем и вторым дном, имеют Относительно большую ширину. Поэтому в расчет вводят редукционные

коэффициенты, которые также зависят от числа узловых точек формы колебаний. Данные для определения присоединенных масс при расчете свободных колебаний корпуса приведены в п. 3.

В табл. 6 приведены значения редукционных коэффициентов момента инерции поперечного сечения двух основных типов судов, сухогрузного с двумя палубами и двойным дном и нефтеналивного с двумя продольными переборками . Значения приведенных коэффициентов можно использовать для судов с относительным удлинением

6. Редукционные коэффициенты момента инерции судов

(см. скан)

Для судов с другим типом поперечного сечения и другим относительным удлинением (в связи с отсутствием данных) рекомендуется при определении момента инерции принимать во внимание приведенную ширину поясков балки которую следует определять как меньшую из величин

где номер тона свободных колебаний; ширина и длина судиа.

Расчет характеристик жесткости корпуса на сдвиг в поперечных сечениях выполняют по формулам сопротивления материалов .

Характерные черты приближенного метода расчета частот свободных колебаний, в котором учитывается зависимость массы и жесткости от номера тона, показаны ниже на примере с использованием уравнений Лагранжа II рода.

Перемещения корпуса судна при колебаниях представляет собой наложение трех составляющих: перемещений судна как жесткого целого перемещений, вызванных изгибом перемещений, вызванных сдвигом

Выбрав вектор координатных функций ( знак транспонирования)

где в качестве следует принять собственные формы безопориой призматической балки, представим

здесь векторы-столбцы обобщенных координат.

Потенциальная энергия балки, соответствующая перемещениям (22), при условии, что характеристики жесткости не зависят от номера тона колебаний,

где ширина поперечных сечений судна на ватерлинии; матрицы изгибной и сдвиговой жесткостей.

здесь момент инерции поперечного сечения относительно центральной оси площадь сдвига. Пусть диагональная матрица а содержит в качестве элементов квадратные корни редукционных коэффициентов момента инерции поперечного сечения, т. е.

где - редукционный коэффициент момента инерции для тона колебаний. Тогда исправленную матрицу изгибной жесткости можно представить в виде

Кинетическая энергия системы, при игнорировании зависимости присоединенных масс от номера тона колебаний, определяется по формуле

где погонная масса (масса единицы длины) балки; радиус инерции единицы длины балки относительно оси присоединенная масса, найденная с использованием гипотезы плоского обтекания; точкой обозначено дифференцирование по времени.

Для получения компактных формул введем расширенные векторы обобщенных координат и координатных функций.

Полное вертикальное перемещение корпуса судна

Пусть диагональная матрица содержит в качестве элементов квадратные корни из поправочных коэффициентов, характеризующих зависимость присоединенной массы от числа узловых точек формы смещений корпуса, т. е.

где поправочные коэффициенты к присоединенной массе на влияние пространствениости потока при смещениях судна как жесткого целого; то же при упругих смещениях.

Значения следует определять по табл. 3. При определении используют формулу Пабста

С учетом (31) и поправок (32) уравнение для кинетической энергии системы приводится к виду

Матрицы определяют по следующим формулам:

Уравнения колебаний

Дальнейший расчет частот и форм свободных колебаний можно выполнить известными методами.

При расчете вынужденной резонансной вибрации присоединенные массы учитываются так же, как и при расчете свободных колебаний.

Для расчета вертикальных колебаний необходимо знать закон и числовые характеристики рассеяния энергии.

Демпфирование общей вертикальной вибрации корпуса судна определяется сложной совокупностью факторов - гистерезисными потерями в материале, конструкционным демпфированием, возбуждением местных колебаний элементов корпуса (перекрытий, шпангоутных рам и т. п.), рассеянием энергии во внешнюю среду. Возможность теоретического определения характеристик демпфирования колебаний практически отсутствует. Имеющиеся экспериментальные данные ограничены и не позволяют надежно определять коэффициенты демпфирования колебаний для судов различных типов, размеров, конструктивных форм. Это влечет за собой низкую точность расчетов вынужденной резонансной вибрации.