RU208695U1

RU208695U1 - SMALL EXPERIMENTAL VESSEL

Info

Publication number: RU208695U1
Application number: RU2021124745U
Authority: RU
Inventors: Гурий Алексеевич Кушнер
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Полезная модель относится к области судостроения, в частности к конструкции маломерных экспериментальных судов, предназначенных для проведения экспериментальных и научно-исследовательских работ по исследованию продольных, поперечных и крутильных колебаний системы валопровода. Технический результат - повышение эффективности устройства при его использовании. Устройство содержит гребной, промежуточный и упорный валы, гребной винт со съемными лопастями, гребной винт связан с коленчатым валом посредством гребного, промежуточного и упорного валов, валы размещаются на подвижных опорах скольжения, динамические свойства которых можно задавать в соответствии с задачей исследования, опоры можно передвигать вдоль оси валопровода, валы съемные и самоцентрирующиеся, в качестве упорного подшипника установлен радиально-шариковый подшипник, заключенный в массивный корпус, дополнительно имеет стационарный поршневой двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение валопровод через клиноременную передачу, в носовой части гребного вала размещена измерительная аппаратура, все элементы устройства жестко фиксированы на опорной поверхности днища судна, при этом корпус судна выполнен водонепроницаемым из высокопрочного алюминиевого сплава.The utility model relates to the field of shipbuilding, in particular to the design of small-sized experimental ships intended for experimental and research work on the study of longitudinal, transverse and torsional vibrations of the shafting system. The technical result is an increase in the efficiency of the device when using it. The device contains a propeller, intermediate and thrust shafts, a propeller with removable blades, the propeller is connected to the crankshaft by means of the propeller, intermediate and thrust shafts, the shafts are placed on movable sliding bearings, the dynamic properties of which can be set in accordance with the research task, the supports can be moved along the axis of the shafting, the shafts are removable and self-centering, a radial ball bearing is installed as a thrust bearing, enclosed in a massive housing, it additionally has a stationary piston internal combustion engine that drives the shafting through a V-belt drive, measuring equipment is located in the bow of the propeller shaft, all the elements of the device are rigidly fixed on the supporting surface of the bottom of the vessel, while the hull of the vessel is made waterproof from high-strength aluminum alloy.

Description

Полезная модель относится к области судостроения, в частности к конструкции маломерных экспериментальных судов, предназначенных для проведения экспериментальных и научно-исследовательских работ по исследованию продольных, поперечных и крутильных колебаний системы валопровода.The utility model relates to the field of shipbuilding, in particular to the design of small-sized experimental ships intended for experimental and research work on the study of longitudinal, transverse and torsional vibrations of the shafting system.

Известно устройство - установка для исследования продольных, поперечных и крутильных колебаний системы валопроводов судов, содержащая раму и опоры, асинхронный двигатель, протяженную опору с корпусом и вкладышем, диск, вал, установленный на опорах, нагрузочный узел в виде постоянного магнита, установленный и закрепленный на верхней подвижной части опоры, нижняя часть которой жестко фиксирована на раме, металлический диск из парамагнитной стали с втулкой из ферромагнитной стали, установленный на конце вала (патент RU №156856, 2015 г.). Данное устройство имеет ряд недостатков, не позволяющих в полной мере исследовать колебания систем вращающихся валов, а именно невозможность проведения исследований колебаний вала на нескольких опорах, невозможность создания колебаний крутящего момента, создаваемых силами давления газов на поршни рабочих цилиндров двигателя и прочие.A device is known - an installation for studying longitudinal, transverse and torsional vibrations of a shafting system of ships, containing a frame and supports, an asynchronous motor, an extended support with a housing and an insert, a disk, a shaft mounted on supports, a load assembly in the form of a permanent magnet installed and fixed on the upper movable part of the support, the lower part of which is rigidly fixed on the frame, a metal disk made of paramagnetic steel with a ferromagnetic steel bushing, mounted on the end of the shaft (patent RU No. 156856, 2015). This device has a number of disadvantages that do not allow to fully investigate the vibrations of rotating shaft systems, namely, the impossibility of studying the vibrations of the shaft on several supports, the impossibility of creating torque oscillations created by the forces of gas pressure on the pistons of the working cylinders of the engine, and others.

Наиболее близким по технической сути и совокупности признаков является стенд для испытаний моделей судового валопровода, содержащий электродвигатель постоянного тока, кривошипно-шатунный механизм, гребной, промежуточный и упорный валы, гребной винт со съемными лопастями и вибраторы. Гребной винт связан с коленчатым валом посредством гребного, промежуточного и упорного валов. Все валы размещаются на подвижных опорах скольжения, динамические свойства которых можно задавать в соответствии с задачей исследования. Опоры можно передвигать вдоль оси валопровода. Валы съемные и самоцентрирующиеся, в качестве упорного подшипника установлен радиально-шариковый подшипник, заключенный в массивный корпус (патент RU №2972, 1995 г.). Недостатком данной конструкции являются повышенная сложность в постановке и проведении экспериментальных исследований, высокая стоимость, а также невозможность проведений исследований в условиях реальной эксплуатации с учетом действующих гидродинамических нагрузок, создаваемых гребным винтом.The closest in terms of technical essence and set of features is a bench for testing ship shafting models, containing a DC electric motor, a crank mechanism, a propeller, intermediate and thrust shafts, a propeller with removable blades and vibrators. The propeller is connected to the crankshaft by means of the propeller, intermediate and thrust shafts. All shafts are placed on movable sliding bearings, the dynamic properties of which can be set in accordance with the research task. The supports can be moved along the axis of the shafting. The shafts are removable and self-centering, a radial ball bearing is installed as a thrust bearing, enclosed in a massive housing (patent RU No. 2972, 1995). The disadvantage of this design is the increased complexity in setting up and conducting experimental studies, the high cost, as well as the impossibility of conducting studies in real operation, taking into account the existing hydrodynamic loads created by the propeller.

Техническая задача - создание маломерного судна для исследований продольных, поперечных и крутильных колебаний системы валопровода, позволяющей расширить диапазон исследований на открытой воде и получить массив экспериментальных данных для дальнейшей обработки.The technical task is the creation of a small-sized vessel for studying longitudinal, transverse and torsional vibrations of the shafting system, which makes it possible to expand the range of studies in open water and obtain an array of experimental data for further processing.

Технический результат - повышение эффективности устройства при его использовании.The technical result is an increase in the efficiency of the device when using it.

Он достигается тем, что в известном устройстве, содержащем гребной, промежуточный и упорный валы, гребной винт со съемными лопастями, гребной винт связан с коленчатым валом посредством гребного, промежуточного и упорного вала, валы размещаются на подвижных опорах скольжения, динамические свойства которых можно задавать в соответствии с задачей исследования, опоры можно передвигать вдоль оси валопровода, валы съемные и самоцентрирующиеся, в качестве упорного подшипника установлен радиально-шариковый подшипник, заключенный в массивный корпус, дополнительно имеет стационарный поршневой двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение валопровод через клиноременную передачу, в носовой части гребного вала размещена измерительная аппаратура, все элементы устройства жестко фиксированы на опорной поверхности днища судна, при этом корпус судна выполнен водонепроницаемым из высокопрочного алюминиевого сплава.It is achieved by the fact that in a known device containing a propeller, intermediate and thrust shafts, a propeller with removable blades, the propeller is connected to the crankshaft by means of a propeller, intermediate and thrust shaft, the shafts are placed on movable sliding bearings, the dynamic properties of which can be set in in accordance with the task of the study, the supports can be moved along the axis of the shafting, the shafts are removable and self-centering, a radial ball bearing is installed as a thrust bearing, enclosed in a massive housing, it additionally has a stationary piston internal combustion engine that drives the shafting through a V-belt drive, in the bow measuring equipment is placed on the propeller shaft part, all elements of the device are rigidly fixed on the supporting surface of the vessel bottom, while the vessel hull is made waterproof from high-strength aluminum alloy.

Использование в конструкции устройства поршневого двигателя внутреннего сгорания позволяет обеспечить проведение экспериментов без использования внешнего подвода энергии для вращения валопровода, а также имитировать различные частоты и амплитуды колебаний крутящего момента на валопроводе, создаваемых силами давления газов на поршни рабочих цилиндров.The use of a reciprocating internal combustion engine in the design of the device makes it possible to carry out experiments without using an external energy supply to rotate the shafting, as well as to simulate various frequencies and amplitudes of torque oscillations on the shafting created by the forces of gas pressure on the pistons of the working cylinders.

Система из гребного, промежуточного и упорного валов приводится во вращение при помощи клиноременной передачи с возможностью быстрой смены шкивов, что, в совокупности с гребным винтом со съемными лопастями, позволяет проводить исследования в большем диапазоне рабочих частот вращения валопровода, а также варьировать величину создаваемого гребным винтом упора.The system of propeller, intermediate and thrust shafts is driven by a V-belt transmission with the ability to quickly change pulleys, which, together with a propeller with removable blades, allows you to conduct research in a wider range of operating speeds of the shafting, as well as vary the value created by the propeller stop.

Выполнение гребного вала с открытой частью позволяет разместить на его поверхности различные датчики и аппаратуру для регистрации и измерений колебаний, а также передачи экспериментальных данных с вращающегося вала на стационарный приемник. Конструкция дополнительно позволяет произвести замену дейдвудных подшипников и лопастей гребного винта в сокращенные сроки при подъеме оконечности корпуса.The implementation of the propeller shaft with an open part allows you to place on its surface various sensors and equipment for recording and measuring vibrations, as well as transmitting experimental data from a rotating shaft to a stationary receiver. The design additionally allows replacement of sterntube bearings and propeller blades in a shortened time when lifting the hull tip.

Размещение всех элементов стенда внутри корпуса маломерного судна упрощает постановку и проведение экспериментальных исследований, повышает точность и валидность получаемых данных, а также позволяет проводить многофакторные экспериментальные исследования валопровода в условиях эксплуатации с учетом реальных гидродинамических нагрузок, создаваемых гребным винтом.The placement of all the elements of the stand inside the hull of a small vessel simplifies the setting up and conduct of experimental studies, improves the accuracy and validity of the data obtained, and also allows for multifactorial experimental studies of the shafting under operating conditions, taking into account the real hydrodynamic loads created by the propeller.

На чертеже изображено предлагаемое судно для исследования продольных, поперечных и крутильных колебаний системы валопровода, а также фрагменты получаемых при помощи устройства экспериментальных данных (Фиг. 1 - общий вид, Фиг. 2 - осциллограммы колебаний валопровода, Фиг. 3 - показания акселерометра).The drawing shows the proposed vessel for the study of longitudinal, transverse and torsional vibrations of the shafting system, as well as fragments of experimental data obtained using the device (Fig. 1 - general view, Fig. 2 - oscillograms of shafting vibrations, Fig. 3 - accelerometer readings).

Устройство содержит корпус 1, внутри которого закреплен поршневой двигатель внутреннего сгорания 2, приводящий в движение систему валопровода через клиноременную передачу 3. Система валопровода состоит из упорного вала 4, промежуточного вала 5 и гребного вала 6, соединенных фланцами 7. Промежуточный вал 5 и гребной вал 6 размещены на подвижных опорах скольжения 8. Опоры промежуточного вала могут перемещаться и быть закрепленными на фундаменте 9, а опоры гребного вала расположены в дейдвудной трубе 10. На кормовом конце гребного вала 6 закреплен гребной винт 11, упор от которого передается на упорный подшипник 12. В носовой части гребного вала 6 размещена измерительная аппаратура 13. Водонепроницаемость корпуса обеспечивается уплотнениями 14, закрепленными на концах дейдвудной трубы. В кормовой части корпуса закреплено рулевое устройство 15.The device contains a housing 1, inside which a piston internal combustion engine 2 is fixed, driving the shafting system through a V-belt drive 3. The shafting system consists of a thrust shaft 4, an intermediate shaft 5 and a propeller shaft 6 connected by flanges 7. The intermediate shaft 5 and the propeller shaft 6 are placed on movable sliding bearings 8. The intermediate shaft bearings can move and be fixed on the foundation 9, and the propeller shaft bearings are located in the stern tube 10. A propeller 11 is fixed at the aft end of the propeller shaft 6, the emphasis from which is transferred to the thrust bearing 12. Measuring equipment 13 is located in the bow of the propeller shaft 6. The watertightness of the body is ensured by seals 14 fixed at the ends of the stern tube. Steering gear 15 is fixed in the aft part of the hull.

Устройство работает следующим образом. Судно для проведения экспериментальных исследований спускается на воду при помощи крана или специальных тележек с кильблоками. В носовой части гребного вала закрепляется измерительная аппаратура - тензорезисторы с аналогово-цифровыми преобразователями, цифровые акселерометры, датчики частоты вращения, радиопередатчики, аккумуляторная батарея и прочие. Двигатель внутреннего сгорания 2, через клиноременную передачу 3 передает крутящий момент и вращает валы 4-6 и гребной винт 11, приводя в движение устройство относительно поверхности воды. Управление судном производится при помощи изменения частоты вращения валов и изменением положения рулевого устройства 15 относительно корпуса 1.The device works as follows. The vessel for experimental research is launched using a crane or special carts with keel blocks. Measuring equipment is fixed in the bow of the propeller shaft - strain gauges with analog-to-digital converters, digital accelerometers, speed sensors, radio transmitters, a battery and others. Internal combustion engine 2 transmits torque through V-belt transmission 3 and rotates shafts 4-6 and propeller 11, setting the device in motion relative to the water surface. The ship is controlled by changing the rotational speed of the shafts and changing the position of the steering device 15 relative to the hull 1.

Регистрация деформаций растяжения, сжатия и кручения валопровода, возникающих в процессе его работы при продольных, поперечных и крутильных колебаниях, производится с помощью тензометрирования и измерений цифровыми акселерометрами согласно известным способам (см., например, Мехеда, В.А. Тензометрический метод измерения деформаций: учеб. пособие / В.А. Мехеда. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. - 56 с., Шкаликов, В.С. Измерение параметров вибрации и удара / B.C. Шкаликов, B.C. Пеллинец, Е.Г. Исакович - Москва: Изд-во стандартов, 1980. - 278 с., Оборский, Г.А. Возбуждение изгибно-крутильных колебаний и их измерения на вращающихся консольных инструментах / Г.А. Оборский, Ю.Г. Паленный, А.А. Оргиян // Вестник Хмельницкого национального университета. Технические науки. - 2016. -№. 1. - С. 146-149.).The registration of tensile, compression and torsion deformations of the shafting that occur during its operation with longitudinal, transverse and torsional vibrations is carried out using strain gauges and measurements with digital accelerometers according to known methods (see, for example, Mekheda, V.A. Tensometric method for measuring deformations: textbook / V. A. Mekheda - Samara: Publishing House of Samara State Aerospace University, 2011. - 56 p., Shkalikov, V. S. Measurement of vibration and shock parameters / VS Shkalikov, VS Pellinets , EG Isakovich - Moscow: Publishing House of Standards, 1980. - 278 pp., Oborsky, GA Excitation of bending-torsional oscillations and their measurements on rotating cantilever instruments / GA Oborsky, Yu.G. Palenny, A. A. Orgiyan // Bulletin of the Khmelnytsky National University. Technical Sciences. - 2016. - No. 1. - P. 146-149.).

Передача данных с измерительной аппаратуры производится по каналу радиосвязи с использованием беспроводного интерфейса (Покусаев, М.Н. Беспроводное тензометрирование/ М.Н. Покусаев, В.А. Юницкий // Датчики и системы. - 2009. - №. 5. - С. 29-31., патент RU №69992, 2007 г.). Подача питания на измерительную аппаратуру, размещенную в носовой части гребного вала возможна с помощью закрепления на вале аккумуляторной батареи, либо с использованием кольцевого токосъемника.Data transmission from the measuring equipment is carried out via a radio channel using a wireless interface (Pokusaev, M.N. Wireless strain gauge / M.N. Pokusaev, V.A. Yunitsky // Sensors and systems. - 2009. - No. 5. - C 29-31., patent RU No. 69992, 2007). Power supply to the measuring equipment located in the bow of the propeller shaft is possible by fixing the battery on the shaft, or using an annular current collector.

На чертеже изображен фрагмент получаемых при помощи устройства экспериментальных данных, где цифрами 16, 17 и 18 обозначены осциллограммы поперечных, крутильных и продольных колебаний, полученных путем тензометрирования, а цифрами 19, 20, 21 обозначены измеряемые акселерометром ускорения в направлениях вдоль оси вала, по касательной к окружности сечения вала и от поверхности вала к оси вала соответственно. В приведенных осциллограммах наблюдается возрастание амплитуд колебаний во всех направлениях в диапазоне от 340 об/мин до 380 об/мин, что свидетельствует о наличии связанности между различными видами колебаний в натурном валопроводе. Проведение измерений акселерометром в трех направлениях позволяет получать дополнительную информацию о виброскорости, виброускорении, амплитуде и частоте колебаний валопровода за определенный период времени или за один оборот вала.The drawing shows a fragment of the experimental data obtained using the device, where the numbers 16, 17 and 18 indicate the oscillograms of transverse, torsional and longitudinal vibrations obtained by strain measurement, and the numbers 19, 20, 21 indicate the accelerations measured by the accelerometer in directions along the axis of the shaft, along the tangential to the circumference of the shaft section and from the shaft surface to the shaft axis, respectively. In the above oscillograms, there is an increase in the amplitudes of vibrations in all directions in the range from 340 rpm to 380 rpm, which indicates the presence of a connection between different types of vibrations in full-scale shafting. Carrying out measurements with an accelerometer in three directions allows obtaining additional information about vibration velocity, vibration acceleration, amplitude and frequency of shafting oscillations for a certain period of time or for one revolution of the shaft.

Экспериментальные данные, полученные при помощи предлагаемого устройства, позволили установить область динамической неустойчивости валопровода при заданных частотах вращения вала. Проведение последующих экспериментальных исследований и обработка массива полученных данных позволит изучить совместное влияние колебаний на работоспособность судового валопровода.The experimental data obtained using the proposed device made it possible to establish the region of dynamic instability of the shafting at given shaft speeds. Conducting subsequent experimental studies and processing the array of data obtained will allow us to study the joint effect of vibrations on the performance of the ship's shafting.

Расширение диапазона экспериментальных исследований обусловлено тем, что в конструкции устройства возможно: изменять материал, длину и зазоры в опорах скольжения 8, а также расстояние между ними; материалы и диаметры упорного вала 4, промежуточного вала 5 и гребного вала 6; частоту вращения валопровода путем изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя 2, смены шкивов клиноременной передачи 3, что, в совокупности с гребным винтом со съемными лопастями 11, позволяет варьировать величины создаваемого гребным винтом упора и гидродинамическую нагрузку на валопровод.The expansion of the range of experimental studies is due to the fact that in the design of the device it is possible to: change the material, length and gaps in the sliding bearings 8, as well as the distance between them; materials and diameters of thrust shaft 4, intermediate shaft 5 and propeller shaft 6; the rotational speed of the shafting by changing the rotational speed of the crankshaft of the engine 2, changing the pulleys of the V-belt transmission 3, which, in conjunction with the propeller with removable blades 11, allows you to vary the amount of stop created by the propeller and the hydrodynamic load on the shafting.

Предлагаемая конструкция устройства позволяет изучать продольные, поперечные и крутильные колебания натурного судового валопровода, а также проводить многофакторные эксперименты по изучению напряженно-деформированного состояния и колебаний валов с использованием телеметрических измерительных систем. Проведение испытаний на предлагаемой конструкции устройства позволяет получить экспериментальные данные в условиях реальной эксплуатации без использования полномасштабной судовой энергетической установки.The proposed design of the device makes it possible to study the longitudinal, transverse and torsional vibrations of a full-scale ship shafting, as well as to conduct multifactorial experiments to study the stress-strain state and shaft vibrations using telemetric measuring systems. Carrying out tests on the proposed design of the device makes it possible to obtain experimental data in real operation without using a full-scale ship power plant.

Положительный эффект предлагаемого устройства - предлагаемое устройство позволяет повысить точность и валидность экспериментальных данных о колебаниях системы судового валопровода путем усовершенствования конструкции.The positive effect of the proposed device - the proposed device allows you to improve the accuracy and validity of experimental data on the vibrations of the ship's shafting system by improving the design.

Claims

A small-sized experimental vessel containing a propeller, intermediate and thrust shafts, a propeller with removable blades, the propeller is connected to the crankshaft by means of the propeller, intermediate and thrust shafts, the shafts are placed on movable sliding bearings, the dynamic properties of which can be set in accordance with the research task, the supports can be moved along the axis of the shafting, the shafts are removable and self-centering, a radial ball bearing is installed as a thrust bearing, enclosed in a massive housing, characterized in that it additionally has a stationary piston internal combustion engine that drives the shafting through a V-belt drive in the bow measuring equipment is placed on the propeller shaft, all elements of the device are rigidly fixed on the supporting surface of the bottom of the vessel, while the hull of the vessel is made waterproof from high-strength aluminum alloy.