OCHRONA WIBROAKUSTYCZNA ZAŁOGI MOTOROWYCH JACHTÓW MORSKICH Z SILNIKIEM STACJONARNYM

Transkrypt

1 PROBLEMY EKSPLOATACJI 161 Jausz GARDULSKI Politechika Śląska, Katowice OCHRONA WIBROAKUSTYCZNA ZAŁOGI MOTOROWYCH JACHTÓW MORSKICH Z SILNIKIEM STACJONARNYM Słowa kluczowe Morskie jachty motorowe, maszyowia, metody miimalizacji hałasu i drgań. Streszczeie W artykule omówioo pasywe i aktywe metody miimalizacji drgań i hałasu geerowaych przez układ apędowy jachtu i jego agregaty pomocicze. Zdefiiowao podstawowe właściwości wymieioych układów mechaiczych, zwracając uwagę a geerowae częstotliwości podstawowe tych źródeł. W drugiej części opisao pasywe i czye metody miimalizacji hałasu poprzez igerecję w drogę propagacji. W podsumowaiu podao przewidywae efekty. Wprowadzeie Miimalizacja hałasu wewętrzego i drgań własych motorowych jachtów morskich jest zagadieiem trudym. Wyika to ze specyfiki waruków paujących w tego typu obiektach pływających, a miaowicie umieszczeie maszyowi w pomieszczeiu o małej kubaturze, z koieczością umożliwieia dostępu do zajdującego się wewątrz silika, przekładi, wału apędowego i agregatów pomociczych takich, jak geerator prądu, pompy, wetylatory itp. Ograiczeia te zaczie utrudiają możliwość zastosowaia iektórych metod miimalizacji efektów wibroakustyczych towarzyszących ich pracy.

2 162 PROBLEMY EKSPLOATACJI Główym źródłem sygałów wibroakustyczych jest silik apędowy połączoy z wieloma ww. urządzeiami pomociczymi. Najczęściej jest to wielocylidrowy silik z zapłoem samoczyym pobudzoy do drgań zmieymi siłami wymuszającymi. Siły te wywołae są: pulsacją ciśieia w kaałach dolotowych i wylotowych, zmiaami ciśieia w cylidrach towarzyszącymi procesowi spalaia, pracą układu rozrządu, zmiaami ciśieia w układach paliwowym i smarowaia, bezwładością elemetów ruchomych silika, przekładiami zębatymi, urządzeiami pomociczymi. Częstotliwości tych sił związae są z prędkością obrotową wału korbowego silika opisae zależością: f N Z C = k (1) 60s prędkość obrotowa wału korbowego [obr/mi], Z C liczba cylidrów, s = 2 dla silików czterosuwowych, k = 0,5; 1; 2; 3 harmoicze sił wymuszających. Ozaczając częstotliwość obrotów wywołaą iewyrówoważeiem mas wirujących przez: f N = (2) 60 otrzyma się częstotliwości związae z pracą podzespołów silika: częstotliwość wałka rozrządu f = f i 0,5 f [ Hz] (3) r = i przełożeie apędu wałka rozrządu (i = 0,5); częstotliwość zamykaia zaworów Z f = Z Z f [Hz] s (4) Z Z liczba oddzielie pracujących zaworów;

3 PROBLEMY EKSPLOATACJI 163 częstotliwość przekładi zębatej f = p f z[hz] (5) z liczba zębów zębika; częstotliwość łopatkowa wetylatorów f = w f l[hz] (6) l liczba łopatek. Częstotliwość pomp wirikowych podobie jak wetylatorów związaa jest z liczbą łopatek pompy ł oraz częstotliwością obrotów silika apędowego f. f = p f ' l[ Hz] (7) Częstotliwość geeratorów prądotwórczych wyosi ajczęściej 50 [Hz]. Z powyższych zależości wyika, że róże podzespoły silika geerują te same częstotliwości, zwłaszcza gdy w widmie pojawiają się częstotliwości harmoicze sił wymuszających, spowodowae ieliiowościami układów mechaiczych. Wśród wymieioych źródeł występują źródła wymuszające o iskiej częstotliwości poiżej 100 [Hz] (silik wraz z wydechem oraz geeratory) i o częstotliwości powyżej 1 khz (wetylatory, pompy, przekładie zębate itp.). Utrudia to możliwość stosowaia jedolitych metod miimalizacji drgań i hałasu emitowaego przez te urządzeia. Wartość poziomu ciśieia akustyczego silików stosowaych a statkach moża obliczyć w przybliżeiu z zależości: L p = 12lg N + 30lg 10,7[ db] N moc silika [kw], prędkość obrotowa wału korbowego [obr/mi]. (8) Poziom te zależy od wielu czyików kostrukcyjych, p. wymiarów geometryczych tłoków, rodzaju materiału kadłuba itd. Poziom mocy akustyczej silika wysokoprężego wyosi około Z LN = log Z + 10log N Z 30log ± 4[ db] (9) N Z odpowiada mocy zamioowej silika [kw], która występuje przy jego prędkości zamioowej Z [obr/mi].

4 164 PROBLEMY EKSPLOATACJI Metody miimalizacji poziomu hałasu i drgań z maszyowi Proces miimalizacji poziomu drgań i hałasu moża podzielić wg oddziaływań: a) a źródło drgań, b) zmiay a drodze emisji, c) ochroę osobistą człowieka. Miimalizację emisji moża uzyskać poprzez zmiay kostrukcji i ich struktury. Właściwy dobór kostrukcji urządzeia i jego parametrów związay jest z doborem odpowiedich mas i sztywości oraz tłumieia, co jest związae z doborem między iymi materiałów. Tłumieie związae jest z rozproszeiem eergii mechaiczej zamieiaej p. a eergię cieplą, a więc z obiżeiem ogólej sprawości urządzeia. Z tego powodu tłumieie wprowadza się, gdy ie moża miimalizacji uzyskać a drodze modyfikacji strukturalej i parametryczej. Takie podejście towarzyszy metodom aktywym, w odróżieiu od metod opartych a zmiaach drogi trasmisji poprzez wprowadzeie wibroizolacji. Wśród sposobów modyfikacji struktury moża wyróżić trzy grupy. Pierwszy sposób polega a wprowadzeiu do układu dodatkowych połączeń wewętrzych p. elemetami sprężysto-pochłaiającymi (p. połączeie tarczowe). Drugi sposób polega a wprowadzeiu do obiektu dodatkowych mas (p. typu Frame). W trzecim sposobie uzyskuje się żąday efekt poprzez przebudowę ciągłości struktury, p. za pomocą pośredich elemetów podatych (wibroizolatorów). Główą wadą dyamiczych elimiatorów drgań jest to, że mogą być stosowae dla wymuszeń harmoiczych (są dostrojoe do ściśle określoej częstotliwości). Nie przyoszą korzyści w układach mechaiczych stosowaych w iestacjoarych warukach. Podobe wady posiada modyfikacja parametrycza układów mechaiczych, gdzie parametrami są zmiee wektorów obciążeia: bezwładość układu M, sztywość K i tłumieie C. Rzeczywisty ieliiowy układ mechaiczy w trakcie pracy podday jest sile wymuszającej o szerokim widmie, która ma dużą liczbę harmoiczych. W celu zmiejszeia amplitudy drgań ależy ograiczyć siły wymuszające o szerokim widmie. W warukach mechaiczych a ogół wartości sił tłumieia są miejsze od sił sprężystości i bezwładości. Siły te skierowae przeciwie do zwrotu wektorów prędkości usiłują je zmiejszyć, czyli ograiczają eergię kietyczą układu. Zależy oa od rodzaju tarcia (wiskotyczego, coulombowskiego czy materiałowego). W miimalizacji drgań układów mechaiczych ajczęściej stosuje się wibroizolację pasywą (przemieszczeie) lub aktywą (siłową). W praktyce stosowae ajczęściej są metody pasywe. Maszya utwierdzoa a wibroizolatorach ma 6 stopi swobody, czyli w przypadku układów liiowych 6 częstotliwości rezoasowych. Wibroizolatory dobiera się tak, aby wykluczyć pracę wibro-

5 PROBLEMY EKSPLOATACJI 165 izolowaej maszyy w paśmie rezoasowym. Istieje wiele sposobów łączeia urządzeń mechaiczych z fudametami za pomocą wibroizolatorów. Mogą to być p. układy podoszoe, pioowe, skośe, mieszae itp. Do wibroizolacji stosowae są róże materiały. Najczęściej przy urządzeiach mechaiczych o dużej masie są to sprężyy stalowe, gumowe lub peumatycze. Przy dużych obciążeiach ajczęściej stosowae są sprężyy stalowe, których łatwo moża wyzaczyć a drodze obliczeiowej. Najczęściej w wibroizolacji stosuje się sprężyy o liiowych charakterystykach, gdzie siła jest proporcjoala do ugięcia. Rodzaj stosowaych spręży (śrubowe, talerzykowe itp.) zależy od przyjętego systemu wibroizolacji. Sprężyy gumowe stosuje się dla przypadków wysokich częstotliwości sił wymuszających i małych obciążeń, co ograicza się do resorowaia. Elemety gumowe pod stałym obciążeiem ie powiy przekraczać 15%, przy ściaiu 25 40% dla mieszaek twardych i 40 70% przy mieszakach miękkich, a twardość ich powia być w graicach Sh. Sprężyy peumatycze ze względu a duże wymiary geometrycze rzadko są stosowae w praktyce przemysłowej Skuteczość wibroizolacji Skuteczość wibroizolacji moża iezależie od charakterystyki wymuszeia zdefiiować: a) dla wibroizolacji przemieszczeia (rys.1) x( t) T x = Z( t) Rys. 1. Model wibroizolacji przemieszczeiowej

6 166 PROBLEMY EKSPLOATACJI b) przy wibroizolacji sitowej (rys. 2) Rys. 2. Model wibroizolacji sitowej Przyjmowae kryterium wibroizolacji powio spełiać waruki T 1 oraz T 1 p Gdy Tp = Tx = T, tz. gdy współczyiki przemieszczeia drgań są takie same dla T<1 występuje praktyczie, gdy stosuek częstotliwości drgań własych ω odiesioy do częstotliwości drgań własych ω 0 jest większy od 3. Wprowadzając do ocey współczyik względego tłumieia ξ moża stwierdzić, że gdy ξ 0, 1, wartość współczyika przeoszeia T jest prawie iezależa od tłumieia. Są to ajczęstsze przypadki techicze. Gdy ξ = 1, efekt wibroizolacji zaika. Współczyik przeoszeia zależy prawie wyłączie od tłumieia Aktywe metody wibroizolacji Zasadą aktywej wibroizolacji jest wygeerowaie sił sterujących oddziałujących a obiekt wibroizolacji. Układy pasywe mogą tylko rozpraszać eergię lub ją okresowo magazyować. Układy aktywe zawierają zewętrze źródło eergii, które automatyczie sterowae mogą dostarczać eergię lub ją absorbować. Ogólie metody aktywe wibroizolacji moża podzielić a sterowae wymuszeiem lub sterowae parametrami pola wibracyjego. W skład tego typu układu wibroizolacji wchodzi przetworik pomiarowy parametrów drgaiowych, który steruje zasilaym zewętrzym źródłem mocy oraz siłowym ele- x

7 PROBLEMY EKSPLOATACJI 167 metem wykoawczym. Te system wibroizolacji jest złożoym układem automatyczej regulacji drogim systemem techiczym, co ograicza jego stosowaie. Prostsze są układy semiaktywe, które ie geerują sił, lecz modyfikują sterowae parametry tłumieia i sprężystość wibroizolatora Miimalizacja poziomu hałasu Metody biere (pasywe) W obiektach pływających miimalizację oddziaływaia hałasu a człowieka moża uzyskać poprzez: ograiczeie emisji hałasu geerowaego przez źródło dźwięku, ograiczeie eergii akustyczych a drogach ich przeoszeia. Ograiczeie eergii wibroakustyczej źródeł hałasu moża uzyskać bez igerecji w proces techologiczy poprzez: zmiay waruków aero i hydrodyamiczych maszy, redukcję współczyików sprawości przemieszczeia. Przez pojęcie zmiay waruków przepływu czyików w źródle ależy rozumieć zmiay prędkości mediów a hałas (moc akustycza hałasów aerodyamiczych jest proporcjoala do 6 8 potęgi prędkości strumieia gazu. Natomiast redukcja sprawości przemieszczeia związaa jest ze zmiaą materiałów, pokryć ochroych, pośredików emisji itp. W przypadku silików spaliowych zalecaa jest po aalizie wibroakustyczej modyfikacja układów dolotowych i wylotowych poprzez zmiay ich geometrii celem zmiejszeia eergii mediów. Dotyczy to możliwości zastosowaia elimiatorów hałasu, do których zalicza się m.i. tłumiki. Tłumiki moża ogólie podzielić a tłumiki absorpcyje i refleksyje. Tłumiki absorpcyje przeciwdziałają przeoszeiu się fali akustyczej poprzez pochłaiaie zaczej części jej eergii akustyczej. W większości przypadków uzyskuje się te efekty poprzez wyłożeie ich wewątrz materiałem dźwiękochłoym. Tego typu tłumiki mogą być tłumikami ssaia. Tłumiki refleksyje działają a zasadzie włączeia w kaał ieciągłości akustyczej, których oporość akustycza jest albo dużo miejsza, albo dużo większa od oporości charakterystyczej kaału. Najczęściej jest to pojedycza lub podwója skokowa zmiaa przekroju (tłumiki komorowe lub rezoatorowe). Tłumiki tego typu mogą być zastosowae jako tłumiki wydechu. Do metod pasywych zaliczae są rówież metody zmiay przeikalości akustyczej ścia i chłoości akustyczej pomieszczeń Metody aktywe redukcji hałasu Ią grupę metod staowią metody aktywe. Aktywe metody redukcji hałasu staowią uzupełieie metod klasyczych (pasywych). Ogólie wykorzystują oe dodatkowe źródła dźwięku zwae

8 168 PROBLEMY EKSPLOATACJI wtórymi, które pracują jedocześie ze źródłami podstawowymi zwaymi pierwotymi. W efekcie astępuje wzajema kompesacja lub destrukcyja iterferecja fali pierwotej i wtórej. Aby uzyskać maksymale (teoretyczie całkowite) wytłumieie fali pierwotej, wygeerowaa fala wtóra musi mieć taką samą częstotliwość i amplitudę jak fala pierwota, lecz przeciwą fazę. Przykładowo dla fal harmoiczych, aby uzyskać tłumieie rzędu 20 db różica poziomów ciśieia akustyczego fal powia być miejsza od 1 db, a przesuięcie fazowe ie może odbiegać od 180 o więcej iż 5. Z powyższego przykładu wyika, że przed sterowikiem źródła wtórego stawiae są wysokie wymagaia. Sygałem sterującym jest detektor sygału pierwotego, p. mikrofo. Musi o być umieszczoy w iym pukcie iż pukt obserwacji, iaczej układ będzie iestabily, podaty a samowzbudzeie. Sygał z detektora pierwotego dociera do elektroiczego sterowika, który pobudza źródło wtóre, zmieiają amplitudę i fazę sygału. Jest to zatem filtr o odpowiediej charakterystyce amplitudowo-fazowej. Podsumowaie W większych motorowych jachtach morskich stosowae są siliki stałe, przymocowae za pomocą ram do kadłuba. Ze względu a iestacjoary i ieustaloy charakter pracy takich silików, stosuje się metody pasywe redukcji hałasu i drgań. Do urządzeń powszechie stosowaych zalicza się elimiatory hałasu tłumiki, wibroizolatory, wielowarstwowe poszycia sztywe itp. Układy te rozpraszają eergię drgań lub ją częściowo magazyują. Układy aktywe redukcji drgań zawierają zewętrze źródła eergii. Metody te są kosztowe, wymagają złożoych automatyczych układów sterujących. W układach ieustaloych efektywość ich może być mała. Aalogiczie, przy miimalizacji hałasu maszyowi w motorowych jachtach stosuje się metody biere takie, jak obudowy dźwiękoizolacyje silika i agregatów pomociczych oraz przegrody wielowarstwowe ścia. W przypadku obudów dźwiękoizolacyjych ależy pamiętać o koieczości odprowadzaia ciepła i gazów celem zabezpieczeia termiczego obiektu. Należy zapewić 60 x godz. wymiay powietrza przy gazach lżejszych od powietrza i 120 x godz. przy gazach cięższych. Prawidłowo wykoae obudowy umożliwiają zmiejszeie poziomu dźwięku o db(a). Przykład prawidłowej obudowy przedstawia rys. 3. Przegrody wielowarstwowe ścia są materiałami o dużej izolacyjości. Materiały wykończeiowe kabi o zwiększoych współczyikach pochłaiaia dźwięku średi współczyik pochłaiaia dźwięku od stroy źródła powiie wyosić α śr 0, 6. Zastosowaie poprawej izolacyjości ścia oraz ich chłoość akustycza umożliwia redukcję poziomu hałasu powyżej 20 db(a).

9 PROBLEMY EKSPLOATACJI 169 Rys. 3. Przykład poprawej obudowy dźwiękoizolacyjej Podchodząc kompleksowo do zagadieia miimalizacji hałasu i drgań w motorowych jachtach morskich moża metodami pasywymi uzyskać efekty obiżeia poziomu hałasu w graicach do 30 db(a). Dla każdego typu jachtu ależy podchodzić idywidualie dobierając metody maksymalizujące efekty. Zmiay środowiska akustyczego mogą być wprowadzoe zarówo w maszyowi, jak i w pomieszczeiach załogi. Celem uzyskaia maksymalych wartości ależy stosować łączie metody pasywe i aktywe albowiem część aktywa działa w zakresie iskich częstotliwości a część pasywa w zakresie wyższych. Takie podejście umożliwia uzyskaie ajlepszych efektów akustyczych. Bibliografia 1. Egel Z. i ii: Podstawy wibroakustyki przemysłowej. AGH Kraków Egel Z.: Ochroa środowiska przed drgaiami i hałasem. PWN, Warszawa Cempel C.: Wibroakustyka stosowaa. PWN, Warszawa Kowal J.: Sterowaie drgaiami. Guteberg, Kraków Recezet: Heryk MADEJ

10 170 PROBLEMY EKSPLOATACJI Vibroacoustic protectio of crew o egie sea yacht s Key words Egie sea yachts, egie room, methods for oise ad vibratio miimizatio. Summary I this paper are discusted miimalizatio methods both passive ad active which are geerated by powertraisystem ad its supportig items. The basic properties of mechaical system are defied, frequecies geerated by this sources are also icluded. I secod part are give passive ad active methods of miimalizatio methods which iterfere with propagate way. Aticipate effects of this methods are give i summary.