Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The article considers torsional vibrations in combination with other technical factors, which remain a cause of damages and breakdowns of the ship's propeller shafts, intermediate shafts and crankshafts. Torsional vibrations inevitably occur in the ship plants. It can be explained by the uneven torque of the engine and the torque on the propeller (exposure of the propeller, uneven movement of the water flow, stormy weather, etc.), which leads to alternating twisting of the shaft. To reduce torsional vibrations, dampers are used, which require periodic performance testing by using the torsiography procedure. In contrast to the existing monitoring systems of the technical condition of the damper, it is planned to install an information processing unit for the software and hardware complex for monitoring torsional vibrations of the ship's shaft line and the parameters associated with them (vibration and temperature changes of the flexible elements of the connecting couplings). The unit under development will allow to constantly monitor the level of torsional vibrations and, if they increase, to signal the ship's mechanic to switch to another operational mode of the main engine, which will increase the reliability and automation of the ship power plants, the safety of navigation, and reduce the economic costs of ship operating
torsional oscillations, vibration, shaft line, sensor, maritime safety
Введение Существующая в настоящее время система технической эксплуатации судовых главных энергетических установок (ГЭУ) сформирована в соответствии с правилами российских и зарубежных классификационных обществ и контролирующих органов и служит обеспечению без-опасности мореплавания и безаварийной эксплуатации судов. Одним из явлений, неизбежно возникающих при работе ГЭУ, являются крутильные колебания, которые могут привести к разрушению элементов судового машинно-движительного комплекса, аварии и даже гибели судна. Крутильные колебания – «колебательные угловые деформации (скручивание) валопровода при вращении», согласно ГОСТ Р ИСО 3046-5-2004 [1]. Крутильные колебания возникают в судовых установках неизбежно, что связано с неравномерностью крутящего момента двигателя и момента на гребном винте (обнажение гребного винта, неравномерность движения потока воды, штормовые условия и т. д.), что приводит к знакопеременному скручиванию вала. При развитии таких колебаний и совпадении частот свободных и вынужденных колебаний амплитуды возрастают до значительных величин, что при длительной работе судового машинно-движительного комплекса на данном режиме может вызвать возникновение усталостных трещин и разрушение валов и отдельных элементов валопровода. Характерный признак поломки валов от крутильных колебаний – это разрушение под углом 45° и особая структура металла в районе разлома. Многие специалисты отмечают, что на валопровод воздействуют комплексно и крутильные, и поперечные колебания, вибрации и ударные нагрузки от волнения, но большую часть на соответствующих резонансных частотах дают именно крутильные колебания [2, 3]. Российский морской регистр судоходства (РМРС) рекомендует проводить испытания ГЭУ на крутильные колебания через каждые 15 000 часов работы [4–6], однако, как показывает практика, надежность устройств, снижающих крутильные колебания до безопасного уровня, сохраняется иногда до 90 000 часов работы. Таким образом, судовладельцы часто несут затраты на проведение испытаний, которые фактически не требуются, но регламентируются контролирующими органами. Значительно снизить затраты по процедуре оценки технического состояния демпферов поможет специализированная система удаленного мониторинга технического состояния ГЭУ по крутильным колебаниям. Предлагаемое решение В отличие от существующих схем контроля технического состояния демпфера предполагается установить блок обработки информации (рис. 1) для программно-аппаратного комплекса системы мониторинга крутильных колебаний судового валопровода и параметров, связанных с ними, – вибрации и температуры гибких элементов соединительных муфт. Рис. 1. Общий вид основного блока измерительной системы на базе микроконтроллера Arduino Mega 2560 Эта установка позволит постоянно контролировать уровень крутильных колебаний и в случае их повышения сигнализировать судовому механику о необходимости перехода на другой режим работы главного двигателя, что повысит надежность и степень автоматизации СЭУ, безопасность мореплавания и сокращение расходов на эксплуатацию судов (следует отметить, что на сегодняшний день сумма фрахта составляет 20–30 тыс. долл. и более в сутки). Центральный блок системы мониторинга представляет собой программируемый контроллер, программное обеспечение и блоки передачи, хранения, ввода и отображения информации. В результате анализа возможных способов измерения крутильных колебаний было принято решение об измерении крутильных колебаний индуктивными датчиками, лазерными датчиками и тензометрическими датчиками в лабораторных условиях (рис. 2). Рис. 2. Общий вид лабораторного стенда Испытательного центра «Marine Technology Service» для проведения испытаний лабораторного прототипа Также предлагается оценивать температуру гибких муфт, что предусматривается правилами РМРС. Для измерения крутильных колебаний индуктивными и лазерными датчиками, а также температуры и вибрации был разработан основной блок измерительной системы. Для измерения тензометрическими датчиками необходим автономный блок (рис. 3), закрепляемый на валу лабораторного стенда. Рис. 3. Общий вид блока измерения крутильных колебаний тензодатчиками Для оценки крутильных колебаний индуктивными датчиками использовались система цифрового осциллографа HANTEK с программным обеспечением HANTEK, что позволило по-лучить первоначальные ориентировочные данные: касательные напряжения в валу при резонансе составили 1,054 МПа. Блок дополнительных параметров разработанного прототипа системы на микроконтроллере Arduino Mega 2560 позволил получить точные значения температуры поверхности при по-мощи инфракрасного датчика температуры Infrared Temperature Sensor (рис. 4) и значение вибрации при помощи датчика на базе акселерометра MMA7361 (рис. 5). Рис. 4. Общий вид инфракрасного датчика температуры Infrared Temperature Sensor Рис. 5. Общий вид датчика вибрации на базе акселерометра MMA7361 Контроль погрешности по температуре производится при помощи пирометра Testo 830-T1, а вибрации – виброметром АР-63. Также отработана система измерения при помощи индуктивных датчиков как с двумя измерительными шестеренными колесами, так и с одним. Перспектива коммерциализации В Астраханском государственном техническом университете (АГТУ) действует испытательный центр «Marine Technology Service» (ИЦ «MTS»), аккредитованный РМРС, занимающийся торсиографированием машинно-движительных комплексов судов, что может обеспечить формирование маркетинговой базы для продвижения продукта. В ИЦ «MTS» АГТУ освидетельствовано около 170 судов для 80 судовладельческих компаний. Перспектива коммерциализации продукта обусловлена большим объемом рынка – только морских судов в России, в которых крутильные колебания в обязательном порядке контролируются, составляет около 1 130 единиц. Объем рынка нами оценивается в 275 млн руб., исходя из средней стоимости системы (250 млн руб.), количества морских судов, на которых требуется установка системы (1 000 ед.), и 10 % стоимости сервисных услуг по настройке системы. Стоимость блока обработки рассчитывается нами в пределах 150 000 руб. Научная новизна проекта Научная новизна проекта заключается в получении большого количества новых данных по крутильным колебаниям, что позволит применять блок не только для контроля напряжений в валах, но и для контроля вибрации в валопроводах, а также температуры гибких муфт. Перспектива создания безэкипажных судов интересна внедрением блока автоматического управления режимом ДВС при опасности повреждения валопровода от крутильных колебаний. Техническая значимость проекта Техническая значимость проекта заключается в использовании элементов российского производства; система будет универсальной по виду применяемых датчиков, с возможностью измерения амплитуды колебаний, мощности, крутящего момента, частоты вращения и других параметров. Система будет передавать информацию в машинное отделение, на центральный пост и на берег, в технический отдел судовладельца. Основное назначение системы – это обеспечение безопасности мореплавания и снижения аварий. Кроме того, мы предполагаем разработку вопросов применения подобных блоков на безэкипажных судах, тестовое испытание которых планируется МИНТРАНСОМ РФ уже в 2021 г. Имеющиеся аналоги Наиболее близким конкурентом нашего проекта на данный момент являются блоки систем австрийской компании Geislinger [7] и норвежской MetaPower, но они имеют ряд недостатков: высокую стоимость и необходимость установки дополнительных элементов; у конкурентов нет присутствия в России. Такие системы, имеющиеся на сегодняшний день на судах, немногочисленны, не имеют полноценной функциональности по диагностике и полностью зарубежного производства. Наличие практических и научных российских разработок отдельных блоков такой системы в условиях программы импортозамещения может в конечном итоге привести к со-зданию отечественного аналога. Перспективы разработки В настоящее время ведутся работы с тензометрическим комплексом, далее планируется измерение крутильных колебаний лазерными датчиками и установка еще одного датчика вибрации российского производства. Следующим этапом будет получение данных при помощи из-мерительных блоков на базе микроконтроллеров «Искра» производства России. В заключение следует уточнить, что создание и внедрение российских элементов систем автоматики на судах сейчас является очень актуальной и не только тактической, но и стратеги-ческой задачей.
1. GOST R ISO 3046-5-2004. Dvigateli vnutrennego sgoraniya porshnevye. Harakteristiki. Ch. 5. Krutil'nye kolebaniya. M.: IPK Izd-vo standartov, 2004. 7 s.
2. Efremov L. V. Teoriya i praktika issledovaniya krutil'nyh kolebaniy silovyh ustanovok s primeneniem komp'yuternyh tehnologiy. SPb.: Nauka, 2007. 276 s.
3. Mart'yanov V. V. Metod ocenki i prognozirovaniya vibroaktivnosti elementov propul'sivnogo kompleksa passazhirskih sudov na osnove rascheta krutil'nyh kolebaniy: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk. SPb., 2017. 21 s.
4. ND № 2-020101-124. Rossiyskiy morskoy registr sudohodstva. Pravila klassifikacii i po-stroyki morskih sudov. Ch. VII. Mehanicheskie ustanovki. SPb., 2021. 106 s.
5. ND № 2-020101-124. Rossiyskiy morskoy registr sudohodstva. Pravila klassifikacii i po-stroyki morskih sudov. Ch. IX. Mehanizmy. SPb., 2021. 181 s.
6. ND № 2-030101-009. Rossiyskiy morskoy registr sudohodstva. Prilozheniya k rukovodstvu po tehnicheskomu nablyudeniyu za sudami v ekspluatacii. SPb., 2021. 321 s.
7. Geislinger Monitoring System. Catalog. Salzburg, 2013. 27 p.
