Кончаков Е.И. Техническая диагностика судовых энергетических установок

Подождите немного. Документ загружается.

ческих условий, изменений характеристик гребного винта, а также воздействия

глубины моря, степени загрузки, угла перекладки руля.

Влияние климатических зон.

Климатические условия большое влияние

оказывают прежде всего, на температуру двигателя. Так, например, температу-

ра поршня в тропиках выше на 3 – 8%, а в цилиндре на 8 – 15% по сравнению с

северными широтами. Следовательно, отклонения температуры, обусловлен-

ные неисправностью, должны всегда превосходить отклонения от нормы, вы-

званные внешними воздействиями.

Изменение гидродинамического сопротивления судна.

Увеличение со-

противления судна вследствие обрастания чем подводной части, разница в за-

грузке, волнения моря, мелководье ведут к изменению характеристик гребного

винта, следовательно, к изменению нагрузки на двигатель и параметров его

работы.

Достаточная глубина под килем судна предотвращает отражение звука от

грунта и обеспечивает равномерную нагрузку гребного винта. В связи

с этим

при движении судна на мелководье изменяются результаты виброакустических

измерений. На рис. 30 показана зависимость уровня шума от глубины.

Рис. 30. График зависимости уровня шума от глубины: 1 – на мелководье;

– на большой глубине

Уровень шумов (измеряемый на уровне фундамента главного двигателя)

также зависит от перекладки руля, поэтому измерения должны производиться

только при прямолинейном курсе судна и других постоянных внешних пара-

метрах (глубина, дифферент, мощность и т.д.).

Контрольные вопросы

1. Каковы специфические особенности диагностирования оборудования

на судах?

2. Что такое подсистема судовой энергоустановки?

3. При каких условиях должны производиться виброакустические изме-

рения на судне?

2. Как влияют окружающие условия на температуру поршней

и втулок

двигателя судна?

ГЛАВА 4. ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА.

ШУМ И ВИБРАЦИЯ НА СУДАХ

Шум акустический – беспорядочные звуковые колебания разной физиче-

ской природы, характеризующиеся случайным изменением амплитуды, частоты

и др. Шум понижает работоспособность при умственном труде примерно на

60 %, а при физическом – на 30 %. Чтобы его избежать, необходимо глубокое

знание звукового процесса, детальное изучение источников шума и вибрации,

особенности их распространения в различных ситуациях, методов борьбы

шумом и вибрацией. «При наличии денег лишь очень немногие задачи по уст-

ранению шума оказываются неразрешимыми, и всегда следует помнить, что

экономика – такая же неотъемлемая часть борьбы с шумом, как и акустика» (Р.

Тейлор).

Уже сейчас в целях снижения шума на подводных лодках тратится около

30% всей стоимости корабля. Строгого

определения вибрации в настоящее

время нет. В английском языке vibration – эквивалент понятия механических

колебаний. Мы под вибрацией понимаем малые механические колебания, рас-

пространяющиеся по конструкциям и элементам, состоящим из упругих тел и

находящихся под воздействием переменного физического поля. На практике

вибрацией именуют как само явление, так и величину необходимого отклоне-

ния

какой-нибудь характерной точки детали машины при вибрации (например

величину отклонения принимают за вибрацию подшипника).

Основными источниками шума и вибрации на судне являются движители

(гребные винты), двигатели, передачи, электрические машины, насосы, венти-

ляторы, гидравлические и воздушные системы. В зависимости от происхожде-

ния шум можно разделить на механический и аэродинамический.

Механические

колебания вызываются: ударами тел в кинематических па-

рах, неуравновешенностью вращающихся деталей, двоякой жесткостью рото-

ров, трением качения, трением скольжения

К аэродинамическому шуму можно отнести:

1) колебания при периодическом выпуске газового потока в атмосферу;

2) вихри, образующиеся у твердых границ потока. При этом возникает

шум при срыве вихрей, сопровождающийся обтеканием тел, и шум погранич-

ного слоя, возбуждаемый турбулентностью потока у стенок или поверхности

обтекаемого тела;

3) турбулентности, образующиеся в потоке при перемешивании

струй,

движущихся с разными скоростями;

4) периодические изменения давления на лопатках аэродинамических

машин – вентиляторов, насосов (шум вращения);

5) скачки уплотнений в потоке, движущемся со сверхзвуковой скоростью,

когда образуются ударные волны;

6) взаимодействие потока и неподвижного резонирующего элемента (при

этом образуются дискретные частоты – свист);

7) горение в ограниченных объемах;

8) кавитацию.

Могут быть совместные

аэродинамические и механические процессы, на-

пример хлопанье стенок воздухопроводов.

Уровни шума на рабочих местах при обслуживании дизеля – по ГОСТ

12.1.003-86.

Допустимые вибрации на рабочих местах при обслуживании дизеля – по

ГОСТ 12.1.012-88.

Физические характеристики шума и вибрации

Шум – колебания при бесконечном числе гармоник (гармонических коле-

баний), т.е. при сплошном спектре частот. В

обыденной жизни под шумом по-

нимают звуки, мешающие восприятию речи, музыки, отдыху, работе. В теории

колебаний шум рассматривается как физический процесс передачи вибрации от

источника через воздушную или водную среду продольными волнами.

Гармонические колебания (гармоники) происходят по закону синуса

()

(

)

.sin

tAt

Любое периодическое движение (колебание) может быть разложено на

конечное или бесконечное число гармоник с кратными частотами.

Акустические характеристики шума:

Уровень звуковой мощности, создаваемый источником в окружающей

среде. Это интегральная характеристика представляет собой мощность, излу-

чаемую во все стороны пространства. Уровни мощности L

в дБ измеряются

относительно пороговой мощности P

= 10

-12

Вт.

=10 Lg (P/P

Уровень звукового давления оценивается на определенном расстоянии от

источника в заданной полосе частот. Уровни звукового давления P

в дБ изме-

ряются относительно порогового уровня P

= 2 ·10

-5

Па:

=20 Lg (P/P

(коэффициент 20 вместо 10 появился вследствие того, что звуковая мощность

пропорциональна квадрату звукового давления).

kcrpP ρπ

- интенсивность, Вт/м

где

, с – соответственно плотность среды (Па), скорость звука (с/м).

Спектр шума – уровни шума для различных диапазонов частот. В связи с

особенностями слухового восприятия человека (ухо не одинаково чувствитель-

но на разных частотах) характеристики измерительных приборов скорректиро-

ваны по частоте так, чтобы объективные показания были близки к субъектив-

ному восприятию. Индекс

А – соответствует коррекции субъективного воспри-

ятия, С – линейному режиму.

При воздействии на одну и ту же точку в пространстве шумов от неско-

льких источников, результирующее их значение определяют суммированием

энергии этих источников в данной точке. А суммарное значение звукового дав-

ления определяется по формуле.

(

)

.......

1 n

PPPP ++=

∑

Практически суммарный уровень шума в дБ определяется по формуле

LLL

∆

∑

где

– больший уровень из суммируемых,

– добавка, определяемая разностью уровней двух источников.

L∆

Вибрации оценивает с помощью виброперемещения

, виброскорости

и виброускорения . Вибрационная мощность N определяется произведе-

нием действующей силы на виброскорость

SFSFN

⋅

cos

Логарифмические уровни виброскорости

, дБ определяют по формуле

[

]

.105/20

8' −

⋅= ξ

LgL

Виброускорение часто выражают в логарифмических единицах относи-

тельно силы тяжести g:

Адмитанс – отношение виброскорости к соответствующей внешней гар-

монической силе;

Импеданс – обратная величина (отношение гармонической внешней силы

к виброскорости);

Динамическая податливость – отношение перемещения колеблющегося

тела к внешней гармонической силе.

Динамическая жесткость – обратная величина.

4.1. Измерение шума и вибрации машин

Уровень звукового

давления

Звуковое давление в данной точке – это мгновенное значение давления

минус статическое давление в этой точке. Это звуковое давление обычно выра-

жают в виде уровня звукового давления и определяют в децибелах (дБ) по фор-

муле

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

gLp λλ 2010

где p – среднеквадратическое значение звукового давления;

– среднеквадратическое значение опорного звукового давления.

Международное значение опорного звукового давления принято равным

Па, что равно среднеквадратическому значению звукового давления

чистого тона частотой 1000 Гц нормального порога слуха. Почти вся выпускае-

мая измерительная аппаратура позволяет производить отсчет уровня звукового

давления относительно опорного давления

Па.

102

−

⋅

102

−

⋅

Уровень звуковой мощности

Звуковая мощность, излучаемая источником, выражается для облегчения

сравнения в виде уровня звуковой мощности в дБ:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

gL λ10

где W – средняя звуковая мощность, излучаемая объектом;

W – опорная мощность. Международное значение Вт.

−

Интенсивность звука

Интенсивность звука в данной точке звукового поля в выбранном на-

правлении определяют как среднюю звуковую

мощность, проходящую в этой

точке через единицу площади поверхности, перпендикулярной выбранному на-

правлению. Для плоских и сферических звуковых волн, распространяющихся в

свободном звуковом поле (в поле свободном от отражений), интенсивность

звука вдоль направления распространения волн определяется формулой

где J – интенсивность звука, Вт·м

-2

;

Р – среднеквадратическое значение звукового давления, Па;

ρ – плотность среды в равновесном состоянии, кг·м

-3

;

c – скорость звука в среде, м·с

-1

Произведение ρ на c называют характеристическим сопротивлением сре-

ды. При температуре

и стандартном атмосферном давлении характери-

стическое сопротивление воздуха равно

.,41534321,1)(

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅⋅=⋅=

−−

см

кг

смкгc

возд

Соотношение между уровнем звуковой мощности и

уровнем звукового давления

Рассмотрим случай, когда машина со всех сторон окружена некоторой

замкнутой поверхностью. Предположив, что направление распространения

волн в любой точке на поверхности перпендикулярно к этой поверхности и что

звуковая волна может рассматриваться как плоская либо сферическая, полную

звуковую мощность, излучаемую машиной, найдем по

выражению

∫∫

dAJW

где интегрирование ведется по всей площади поверхности А, а P

– звуковое

давление на i – элементарной площадке dA

. Если вся площадь поверхности

разделена на n равных частей dA, а число n существенно велико, уравнение

приобретает вид

)(

dAndA

ср

ρρρ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∑∑

где P

ср

– среднее среднеквадратическое значение звукового давления по всей

площади поверхности.

Разделив обе стороны уравнения на

и взяв логарифм, получим уро-

вень звуковой мощности

101010

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+==

ρW

ggA

ср

λλλ

Используя определения уровня звукового давления, значение

можно

выразить через уровень звукового давления на поверхности:

ср

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∑

ср

1,0

где L

– уровень звукового давления на i-й эквивалентной площадке.

Используя оба предыдущих уравнения, получим:

.10

101010

1,0

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∑

ggAL λλλ

Второй член в этом уравнении приближенно равен нулю при значениях

.смкг 415с Вт,10 WПа,102

-1-212

⋅=⋅=⋅=

−−

ρP

Таким образом, уровень звуковой мощности можно выразить в виде

LgAL

где А – площадь всей поверхности, окружающей машину

, а

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∑

1,0

10λ

где L

– средний уровень звукового давления, или уровень средне-

квадратического значения звукового давления.

Уравнение дает простое приближенное соотношение между уровнем

звуковой мощности и средним уровнем звукового давления, что позволяет оп-

ределить уровень звуковой мощности, измеряя уровень звукового давления на

воображаемой поверхности, окружающей машину. Строго говоря, уравнение

справедливо, когда измерения уровня звукового давления проводятся в свобод-

ном звуковом поле, например в заглушенной камере. Однако для

большего

числа практических случаев это уравнение можно использовать для измерений

в обычных лабораториях, если сделать соответствующие поправки.

Сочетание двух и более звуков различной частоты

Предположим, что имеются два чистых тона

и в звуковом

поле. Пусть среднеквадратические значения звукового давления этих двух зву-

ков равны p

f )(f

212

ff ≠

и p

соответственно. Общее среднеквадратическое значение зву-

кового давления, полученное суммированием двух синусоидальных волн, нахо-

дим из уравнения

.)(P

2/12

1общ

PP +=

Это уравнение можно представить в виде:

общ

Произведя логарифмирование и умножив левую и правую части на 10,

получим:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

1010

общ

λλ

, т.е.

.)1010(10

1,01,0

общ

LpLp

gL +=λ

.10

;10 ;10

1,0

gL ==

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=λλ

Если два чистых тона имеют одно и то же среднеквадратическое значение

звукового давления, а значит один и тот же уровень звукового давления, созда-