Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0120

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0120
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук
Название доклада
Исследование и меры предупреждения техногенных аварий промышленных объектов, сооружений и транспортных средств, вызываемых нелинейными колебательными явлениями.
Докладчик
Блехман Илья Израилевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель: Cнижение риска техногенных аварийных ситуаций, связанных с недостаточно изученными нелинейными колебательными явлениями сложных промышленных объектов, сооружений и транспортных средств.
Задачи состоят в исследовании:
1. Явления вибрационного торможения вращения, когда под действием вибрации на при-вод машины начинает действовать значительный по величине тормозящий момент.
2. Явления вибрационного поддержания вращения, когда вследствие воздействия вибрации возникает дополнительный вращающий момент.
3. Аварийного явления при работе нескольких неуравновешенных машин, установленных на едином фундаменте, когда возникает их самосинхронизация и синфазное движение.
4. Явления вибрационной инжекции газа в жидкость и связанного с ним эффекта запирания отверстий в вибрирующих сосудах с жидкостью.
5. Явления относительного сдвига тел, контактирующих посредством сил типа сухого трения вследствие слабых вибрационных или волновых воздействий (модель техногенных землетрясений).
Актуальность и новизна исследования
Актуальность определяется тем, что в последнее время участились аварии, связанные с перечисленными явлениями. Это объясняется возрастающей мощностью и энергонапряженностью агрегатов.
Новизна исследования определяется построением новых моделей перечисленных явлений, их изучением с точки зрения возможных аварийных ситуаций, а также использованием новых методов теоретического исследования и нового экспериментального вибрационного стенда, разработанных исполнителями проекта.
Описание исследования

Математические модели изучаемых явлений в работе строились в виде дифференциальных уравнений движения систем. Эти уравнения отличались сильной нелинейностью, их решение в аналитической форме оказывалось невозможным. Поэтому в работе систематически использовался новый подход к исследованию действия вибрации на нелинейные механические системы – вибрационная механика и метод прямого разделения движений. Этот подход, предложенный участниками проекта, получил в настоящее время признание и развитие как в нашей стране, так и за рубежом – в Германии, Дании, США, Украине. Подход состоит в переходе от сложной системы исходных нелинейных уравнений к значительно более простой системе, описывающих только наиболее интересную «медленную» составляющую движения. Использованный способ имеет значительные преимущества перед ставшим уже традиционным методом численного решения исходных уравнений модели. При численном решении необходимо рассматривать большое число численных экспериментов, «пробиваясь» через значительное количество изменений для получения необходимой информации. Например, уравнение, описывающее поведение машинного агрегата, полученное методами вибрационной механики, имеет первый порядок  и отличается от классического уравнения наличием слагаемого  – тормозного вибрационного момента. Тогда как порядок исходной системы  может быть очень высоким. Полученное уравнение, на основе найденных выражений для тормозного вибрационного момента, позволяет рассмотреть основные виды вибрационного торможения – движение экипажа (поезда, автомобили и т.п.) по пути с неровностями, динамику вибрационных машин, эффект мертвой воды при движении океанских судов. Математические модели явления вибрационного поддержания вращения в простейшем случае описываются  нелинейным неавтономным уравнением, решение которого в аналитической форме весьма затруднительно. Соответствующее же уравнение вибрационной механики допускает непосредственное исследование. В частности, из него получается значение максимальной мощности, которая может передаваться вибрирующим основанием на вал ротора. Получается также соотношение для полосы захватывания вибрационного основания вращением ротора, приводимого от  асинхронного двигателя. Аналогичная, с некоторыми особенностями, методика использована при рассмотрении явлений самосинхронизации и фазировки вибрационной инжекции газа в жидкость. Исключением явилась модель относительного сдвига тел, контактирующих посредством сил сухого трения, под действием слабых ударных и волновых воздействий.  В этом случае модель представляет собой два, последовательно решаемых, линейных дифференциальных уравнений при наличии нелинейной связи между такими решениями. При разработке всех моделей учитывалась необходимость их использования при разработке на следующем этапе проекта мероприятий по недопущению или снижению риска соответствующих аварийных ситуаций.

Результаты исследования

В отчетном году разработаны и изучены математические модели следующих явлений.

1 Явление вибрационного торможения. Оно состоит в том, что на вал агрегата или двигателя транспортного средства при определенной частоте вращения возникает значительный тормозной момент. В результате теряется управление поездом, автомобилем или морским судном. Оно может вообще «застрять» на соответствующей скорости, не выйти на номинальный режим. Одним из видов явления представляет собой эффект мертвой воды – корабль или подводная лодка не могут выйти на требуемую скорость.  Разработанная модель явления, представляющая собой уравнение вибрационной механики машинного агрегата, отличается от классического наличием дополнительного слагаемого – тормозящего вибрационного момента.

2 Явление вибрационного поддержания вращения. Оно состоит в том, что вибрация возбуждает и поддерживает вращение неуравновешенного ротора. Аварийность данного явления в случае с приводом ротора от двигателя заключается в потере управления агрегатом.  Разработанная модель явления позволяет получить условия его возникновения и оценить мощность, передаваемую вибрацией на вал ротора. Предложено устройство, позволяющее на основе данного явления гасить вибрацию с одновременной аккумуляцией или использованием поглощаемой энергии (оформлена патентная заявка).

3 Явление синхронизации и фазировки неуравновешенных машин, установленных на едином фундаменте. Аварийное состояние в этом случае связано с тем, что неуравновешенные силы от машин складываются, вызывая интенсивные колебания фундамента или разрушения. Между тем в ряде руководств рекомендуется проектировать фундамент, исходя из предположения о случайном характере распределения фаз машин, что может вызвать ошибку в массе фундамента в несколько раз. Использование модели явления позволяет сформулировать рекомендации по корректировке строительных норм и по проектированию облегченных групповых фундаментов.

4 Явление вибрационной инжекции газа в жидкость и эффект запирания отверстий в вибрирующих сосудах с жидкостью. Явление и эффект состоят в том, что в отверстие вибрирующего сосуда с жидкостью засасывается газ в виде серии пузырьков. При этом истечение жидкости из сосуда замедляется. Такие ситуации явились причиной аварийных катастроф вследствие вибрации бензобаков – сокращалось поступление из них топлива.  Использование разработанной модели позволяет предложить эффективный способ подавления данных аварийных ситуаций.

5 Явление относительного сдвига тел, контактирующих посредством сил типа сухого трения, под влиянием слабых вибрационных и волновых воздействий. Аварии, связанные с данным явлением,  могут быть, по крайней мере, трех видов.

1) Техногенные сейсмические явления – сдвиги литосферных плит под влиянием взрывных или проходческих работ, проходящих иногда на значительном удалении.

2) Износ номинально неподвижных соединений деталей машин – фланцев, резьбовых соединений.

3) Аварии судов, перевозящих незакрепленные грузы.

Предложенные и изученные модели позволили объяснить и оценить снижение эффективных коэффициентов трения и смещение соприкасающихся тел при слабом ударном воздействии для первых двух случаев и определить в третьем случае максимальную величину крена судна, при котором еще не наступает прогрессивное увеличение крена, приводящее к аварии.

Все результаты являются новыми, они могут быть оценены как находящиеся на мировом уровне, по ряду элементов – выше этого уровня.

Практическая значимость исследования
На основе указанных исследований будут разработаны рекомендации (технологии) по прогнозированию и предотвращению аварийных ситуаций, связанных с перечисленными нелинейными явлениями. Также будут разработаны новые подходы к решению задачи, непосредственно связанной со средствами снижения риска перечисленных явлений – разработка вибро- и ударозащитных устройств, основанных на использовании идеи вибрационных динамических материалов, ранее выдвинутой Исполнителем проекта.
Способом использования ожидаемых результатов является издание руководств и инструкций, содержащих описания изученных аварийных явлений, мер по их предотвращению или снижению риска их появления. Ожидаемый народно-хозяйственный эффект результатов работ по проекту определяется снижением частоты аварий, связанных с изученными явлениями, и снижением соответствующих издержек производства, а также повышение производственной безопасности оборудования, работающего в условиях вибрации.
Постер

Poster_template_RP.ppt