Solid-state damper for reducing vibration activity of an electromechanical device of a life support system of oil and gas stations

Texto integral

Введение

Снижение уровня вибраций производственных объектов и сопутствующих шумов является важной научно-технической проблемой в области технической акустики. Шум механизмов возникает вследствие упругих колебаний как механизмов в целом, так и отдельных элементов конструкции электромеханических устройств (ЭМУ), их деталей.

ЭМУ – это большой класс исполнительных механизмов, в которых движителем является электрический двигатель любого типа с установленным на валу функциональным блоком, определяющим назначение ЭМУ.

Это очень широкая группа устройств от примитивного точила или дрели до прецизионных ЭМУ, устанавливаемых на космических аппаратах. Общим функциональным признаком этой группы является наличие электродвигателя, определяющего динамические качества всего ЭМУ.

Системы жизнеобеспечения нефтегазовых станций, такие как вентиляция и кондиционирование, содержат ЭМУ – вентиляторы, работа которых сопровождается производственным шумом. Это оказывает негативное влияние на износ оборудования, уменьшение срока его эксплуатации, а также на здоровье операторов, находящихся в помещении, так как наличие производственного шума является вредным производственным фактором.

Полностью устранить виброактивность ЭМУ технически не представляется возможным. Ее можно только уменьшить до приемлемого уровня работы значений.

Для снижения виброактивности механизма применяются как теоретические способы расчета конструкции ЭМУ, так и практические решения по гашению вибраций. Оценка виброактивности ЭМУ [1–6] показывает, что источники колебаний имеют различную физическую природу: дисбалансы, электромагнитные явления в электродвигателе, погрешность шарикоподшипников, технологические погрешности деталей конструкции, качество сборки.

Как следует из результатов исследований [2, 3], вибрация ЭМУ имеет плотный спектр частот от десятков до десятков тысяч герц, содержащий множество гармоник вибрационных возмущений. В связи с этим следует использовать основные способы снижения виброактивности ЭМУ – вентиляторы:

1. Уменьшить виброактивность самой конструкции ЭМУ на этапе разработки:

• увеличить число лопаток рабочего колеса, поскольку с уменьшением числа лопаток увеличивается беспорядочность движения отдельных струй, вытекающих из межлопаточных промежутков, влияющих на общий уровень шума, создаваемого рабочим колесом.
• изменить диапазон собственных частот элементов конструкции и частот возмущающих воздействий;
• снизить дисбаланс роторной системы;
• заменить подшипники качения подшипниками скольжения.

2. Ограничить угловую скорость электродвигателя ЭМУ, но данный способ не является универсальным и не дает возможности использовать весь технический потенциал устройства.
3. Разработать виброзащиту, установив ее непосредственно в источник виброактивности.

Увеличение жесткости и веса конструкции в ряде случаев практически не влияет на аэродинамическое шумообразование. Поэтому очень часто увеличение жесткости и веса колеса и кожуха приводят к излишнему увеличению веса конструкции ЭМУ и ее стоимости, не влияя на акустические свойства.

Одним из новых направлений в области разработки демпферов является использование пенометаллов ввиду сочетания их низкой плотности, высокой удельной жесткости и прочности, а также способности поглощения энергии [7–10]. В частности, в работе [7] было показано, что пенометаллы могут превосходно поглощать и рассеивать энергию за счет деформации, что делает их идеальными материалами для поглощения ударов и ослабления вибрации. Причем оптимизация температуры, рабочего диапазона и амплитуды прикладываемых напряжений позволяет регулировать демпфирующие способности пенометаллов. Также важно отметить, что демпфирующие свойства пористых металлов проявляются при пластических деформациях и уплотнении, а возникающие при этом напряжения меньше предела текучести «сплошных» металлов [11–24]. Особенность гистерезиса пористых материалов [11–24] заключается в наличии области, ограничивающей амплитуду силового возмущающего воздействия, передаваемого на пористый материал. Наличие пор в алюминии также вызывает существенное затухание вибраций из-за преобразования резонансных мод колеблющегося объекта. Отмеченные преимущества пенометаллов объясняют целесообразность их использования при создании демпферов для снижения виброактивности ЭМУ в различных практических применениях.

Настоящая работа посвящена созданию конструкции макета твердотельного демпфера на основе пеноалюминия и исследованию эффективности его применения для снижения уровня виброактивности ЭМУ системы жизнеобеспечения нефтегазовых станций. С этой целью проведены экспериментальные исследования на примере анализа вибраций, возникающих в процессе функционирования ЭМУ.

Конструкция твердотельного демпфера

Основу конструкции разработанного твердотельного демпфера составляет пористый пеноалюминий размерами 100×100×40 мм (рис. 1).

 

Рис. 1.    Фрагмент твердотельного демпфера на основе пеноалюминия

Fig. 1.     Fragment of a solid-state damper based on aluminum foam

 

Пеноалюминий получен из сплава Д16 ГОСТ4784-97, что и определяет его основные механические свойства. Анализ технологии изготовления исследуемого образца пеноалюминия выходит за рамки данной исследовательской работы, но представлен в работах [17–19].

С использованием демпфирующего элемента, приведенного на рис. 1, спроектирован макет твердотельного демпфера (рис. 2, а).

 

Рис. 2.    Макет твердотельного демпфера (а), 3D-модель макета (б), 1 – основание крепления ЭМУ, 2 – фрагмент гасителя колебаний на основе пеноалюминия, 3 – крепежные детали макета

Fig. 2.     Layout of a solid-state damper (a), 3D model of the layout (b), 1 – Electromechanical device mounting base, 2 – fragment of an oscillator based on aluminum foam, 3 – fasteners of the layout

 

Макет твердотельного демпфера (рис. 2, а) содержит основание для крепления ЭМУ и основание для крепления твердотельного демпфера с установленным на нем ЭМУ на виброизмерительном стенде (рис. 2, б). Крепление пеноалюминия к посадочной площадке ЭМУ и основанию осуществляется таким образом, чтобы обеспечить кинематическую развязку между техническим устройством и плоскостью его установки через фрагмент демпфирующего элемента гасителя колебаний твердотельного демпфера. Причем в исследовательских целях применены два фрагмента с разной глубиной проточек для установки винтов 7 и 26 мм (табл. 1) для обеспечения различного сопротивления деформации материала пеноалюминия под воздействием вибрационных сил.

 

Таблица 1.           Конструкции макетов твердотельного демпфера на основе пеноалюминия

Table 1.           Designs of solid-state damper layouts based on aluminum foam

№ макета Layout number	Конструкция макета Layout design	Глубина цилиндрических проточек, мм Depth of the cylindrical ducts, mm
1		26
2		7

 

Оборудование для проведения исследования эффективности применения твердотельного демпфера

Определение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) твердотельного демпфера проводилось в соответствии с ГОСТ 30630.1.1-99. Макеты подверглись воздействию синусоидальной вибрации с плавной разверткой частоты в диапазоне частот 10–2000 Гц при значении амплитуды ускорения в контрольной точке 4,9 м/с² и скорости изменения частоты 1 окт./мин.

Общая схема испытаний состоит из вибрационной системы (вибратора), усилителя мощности, системы управления виброиспытаниями, а также виброизмерительных преобразователей (ВИП).

Для закрепления макетов на платформе вибрационной системы использовались специально разработанные приспособления (рис. 3), не имеющие собственных резонансных частот в диапазоне до 2000 Гц. Данное требование, предъявляемое к приспособлениям механических испытаний, позволяет исключить их собственные частоты колебаний из диапазона рабочих частот твердотельного демпфера.

 

Рис. 3.    Схема расположения ВИП на макетах твердотельного демпфера

Fig. 3.     Layout of the vibration measuring transducer on the layouts of the solid-state damper

 

Определение АЧХ макетов осуществлялось поочередно в каждом из трех взаимно перпендикулярных направлениях (X, Y, Z) декартовой системы координат. Причем направления X и Y находятся в плоскости исследуемого объекта. ВИП устанавливались на макеты демпферов (рис. 3), рабочие оси которых ориентируются по направлению генерируемых стендом колебаний.

После определения АЧХ проведены виброиспытания твердотельных демпферов с помощью портативного вибродиагностического комплекса К-5101 [2], предназначенного для исследования и сбора данных, в том числе с отметками времени, при измерении общего уровня вибрации, базового и расширенного анализа динамических характеристик элементов конструкции. Блок-схема стенда и вибродиагностического комплекса для измерения вибрационных характеристик ЭМУ, а также методика определения эффективности снижения виброактивности подробно описаны в работе [2].

Результаты эффективности применения твердотельного демпфера

Проведенные исследования по определению АЧХ твердотельного демпфера на вибрационном стенде позволили сопоставить резонансные частоты разработанных макетов демпферов с диапазоном рабочих частот вращения ротора ЭМУ. Результаты исследований приведены на рис. 4, 5 и в табл. 2.

 

Рис. 4.    АЧХ макета № 1 (а) по направлению X(Y), (б) по направлению Z

Fig. 4.     Frequency response of layout no. 1 (a) in the X(Y) direction, (b) in the Z direction

 

Рис. 5.    АЧХ макета № 2 (а) по направлению X(Y), (б) по направлению Z

Fig. 5.     Frequency response of layout no. 2 (a) in the X(Y) direction, (b) in the Z direction

 

Таблица 2.     АЧХ макетов твердотельных демпферов в диапазоне частот от 5 Гц до 2,5 кГц

Table 2.           Frequency response of models of solid-state dampers in the frequency range from 5 Hz to 2.5 kHz

Наименование параметра Parameter name	№ макета Layout number
	1	2
Направление X (Y)/ X (Y) direction
Первая резонансная частота, Гц The first resonant frequency, Hz	783,9	1806,5
Коэффициент передачи/Transmission ratio	20,06	42,84
Коэффициент демпфирования Damping coefficient, %	2,49	1,17
Направление Z/Z direction
Первая резонансная частота, Гц The first resonant frequency, Hz	1412,7	1856,6
Коэффициент передачи/Transmission ratio	14,02	34,06
Коэффициент демпфирования Damping coefficient, %	3,57	1,47

 

Из полученных вибрационных характеристик твердотельных демпферов (табл. 2) следует, что резонансные частоты разработанных макетов не входят в рабочий диапазон вращения ротора ЭМУ (1,666÷50 Гц). Причем макет № 1 имеет значительно меньшую жесткость, чем макет № 2. Это можно объяснить различием глубины проточек под винты и, как следствие, разным сопротивлением деформации фрагмента гасителя колебаний под приложенной нагрузкой.

 

Рис. 6.    Изменение коэффициента эффективности от частоты вращения ротора ЭМУ с макетом № 1 (а) по направлению X (Y), (б) по направлению Z

Fig. 6.     Change in the efficiency coefficient depending on the rotation frequency of the EMU rotor with layout no. 1 (a) in the X (Y)

 

Рис. 7.    Изменение коэффициента эффективности от частоты вращения ротора ЭМУ с макетом № 2 (а) по направлению X (Y), (б) по направлению Z

Fig. 7.     Change in the efficiency coefficient depending on the rotation frequency of the EMU rotor with layout no. 2 (a) in the X (Y) direction, (b) in the Z direction

 

Сравнительный анализ по коэффициенту эффективности [2] показал наибольшую эффективность снижения виброактивности ЭМУ для макета № 1, глубина проточек которого значительно меньше, чем в макете № 2 (табл. 3) (рис. 6, 7).

 

Таблица 3.     Результаты испытаний макетов твердотельного демпфера

Table 3.           Test results of solid-state damper layouts

Вариант применения макета Variants of the layout application	Амплитуда виброперемещения по осям (мм) Amplitude of vibration displacement along the axes (mm)		Диапазон частот вращения ротора, Гц (об/мин) Rotor speed range, Hz (rpm)
	X(Y)	Z
ЭМУ без демпфера EMU without damper	0,479	0,287	1,66÷50 (100÷3000)
Макет № 1 Layout no. 1	0,121	0,119
Макет № 2 Layout no. 2	0,224	0,145

 

Это можно объяснить тем, что помимо механизмов, связанных с внутренним изменением микро- или макроструктур твердотельных материалов, а именно дислокаций, локальных дефектов кристаллических решеток, релаксаций напряжений на границах зерен, фазовых процессов и т. д., которые влияют на эффективность рассеивания энергии, необходимо учитывать и жесткость пеноалюминия. Конструкция макета № 2 имеет больше механизмов рассеивания энергии, чем макет № 1, под воздействием внешней нагрузки, поскольку глубина проточек меньше, но он также обладает и большим потенциалом сопротивления деформации, что подтвердили исследования вибрационных характеристик (табл. 2), а значит, и диссипация энергии в нем меньше.

Результаты измерения вибрационных характеристик ЭМУ (табл. 3) с разработанными макетами твердотельного демпфера на основе пеноалюминия показали, что используемый материал обладает неплохими демпфирующими свойствами и может быть применен для снижения уровня вибрации с учетом его сопротивления деформационной нагрузке при виброактивности ЭМУ. Амплитудные значения виброперемещения при использовании макета твердотельного демпфера снизились в 3 раза.

Заключение

Из приведенных в статье результатов исследований следует, что виброактивность ЭМУ представляет собой плотный спектр частот от десятков до десятков тысяч герц, который содержит множество гармоник вибрационных возмущений, возникающих в конструкции электрического двигателя, являющегося генератором указанных вибраций. С целью решения технических проблем снижения виброактивности ЭМУ системы жизнеобеспечения нефтегазовых станций предложена конструкция твердотельного демпфера, а проведенные исследования двух макетов показали, что материал пеноалюминий обладает демпфирующими свойствами для эффективной минимизации виброактивности ЭМУ.

Эффективность демпфирования вибраций за счет применения твердотельных демпферов оценивалась с использованием лабораторного электродинамического вибростенда ET-139 и вибродиагностического комплекса К-5101. Результаты проведения виброиспытаний показали, что использование предложенного технического решения на основе разработанной конструкции твердотельного демпфера позволяет минимизировать виброактивность ЭМУ до 3 раз.

Sobre autores

Alexey Gavrilin

National Research Tomsk Polytechnic University

Autor responsável pela correspondência
Email: gawral@tpu.ru
ORCID ID: 0000-0002-9205-2283

Dr. Sc., Professor

Rússia, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050

Viktor Dmitriev

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: dmitriev@tpu.ru
ORCID ID: 0000-0001-9108-9845

Dr. Sc., ex-Professor

Rússia, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050

Dmitry Ermakov

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: dvermakov@tpu.ru

Cand. Sc., Assistant

Rússia, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050

Daria Derusova

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: red@tpu.ru
ORCID ID: 0000-0003-2142-856X

Dr. Sc., Senior Researcher

 

Rússia, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050

Bibliografia

Arquivos suplementares