ASSESSMENT OF INFLUENCE OF WEAR AND TEAR OF THE STERN SHAFT BEARING ON ITS OWN FREQUENCY WHILE CROSS FLUCTUATIONS OF SHAFT LINES OF THE VESSEL
Authors:
1.
Caspian Institute of Sea and River Transport after General-Admiral F. M. Apraksin, branch of Volga State University of Water Transport
(Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department of Ship Mechanical Disciplines)
2.
Astrakhan State Technical University
3.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Shipbuilding and Energy Complexes of Marine Engineering)
Type:
Article
Pages:
from 13
to 20
Status:
Published
Received:
20.08.2014
Accepted:
25.08.2014
Published:
25.08.2014
Subject area:
UDK 629.12.037.4.004.6
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
shaft lines, cross-section fluctuations, wear of the stern shaft bearing
Abstract (English):
Own frequencies of cross fluctuations of the propeller shaft taking into account wear and tear of the stern shaft bearing are considered. While using a shaft line, wear and tear of the stern shaft bearing can be observed. Wear on bearing length is uneven, and the highest value of the wear scale is fixed at the end of the stern bearing. While such uneven wearing, during the exploitation of the ship shaft line an incomplete contact of the propeller shaft with the stern shaft bearing takes place, and the phenomenon of resonance can arise at the working frequencies of the shaft that leads to unstable state of the shaft line. As a consequence, the detachment of the shaft from the stern shaft bearing is possible that cause, in its turn, the accelerated wear of the stern shaft bearing. The accelerated wear of shaft bearings leads to damage of coating of the propeller shaft, the emergence of fatigue cracks on the shafts оf shaft line, the leakage of the propeller gaskets and, as a consequence, to the fluctuations of the propeller screw and the propeller shaft. The shaft bearings, installed at the stern or in the hub of the vessel strut, perceive continuous beating. They not only bear on themselves the weight of hanging-down part of the trailer shaft with the propeller screw, but also have to absorb fluctuations of the screw and the propeller shaft, arising at movement of the blades through constantly changing passing stream. Long work at a resonant state is inadmissible not only because of the restless course, but also because of the fast wear of the shaft bearing and possibility of breakage of the shaft. The analysis of the influence of the scale of wear of the stern shaft bearing on the own frequency of the propeller shaft helps draw a conclusion that while wearing of the stern shaft bearing own frequency of the shaft lines at cross fluctuations goes down. It is also taken into account that wear on the length of the shaft bearing is uneven.
Own frequencies of cross fluctuations of the propeller shaft taking into account wear and tear of the stern shaft bearing are considered. While using a shaft line, wear and tear of the stern shaft bearing can be observed. Wear on bearing length is uneven, and the highest value of the wear scale is fixed at the end of the stern bearing. While such uneven wearing, during the exploitation of the ship shaft line an incomplete contact of the propeller shaft with the stern shaft bearing takes place, and the phenomenon of resonance can arise at the working frequencies of the shaft that leads to unstable state of the shaft line. As a consequence, the detachment of the shaft from the stern shaft bearing is possible that cause, in its turn, the accelerated wear of the stern shaft bearing. The accelerated wear of shaft bearings leads to damage of coating of the propeller shaft, the emergence of fatigue cracks on the shafts оf shaft line, the leakage of the propeller gaskets and, as a consequence, to the fluctuations of the propeller screw and the propeller shaft. The shaft bearings, installed at the stern or in the hub of the vessel strut, perceive continuous beating. They not only bear on themselves the weight of hanging-down part of the trailer shaft with the propeller screw, but also have to absorb fluctuations of the screw and the propeller shaft, arising at movement of the blades through constantly changing passing stream. Long work at a resonant state is inadmissible not only because of the restless course, but also because of the fast wear of the shaft bearing and possibility of breakage of the shaft. The analysis of the influence of the scale of wear of the stern shaft bearing on the own frequency of the propeller shaft helps draw a conclusion that while wearing of the stern shaft bearing own frequency of the shaft lines at cross fluctuations goes down. It is also taken into account that wear on the length of the shaft bearing is uneven.
Keywords:
shaft lines, cross-section fluctuations, wear of the stern shaft bearing
shaft lines, cross-section fluctuations, wear of the stern shaft bearing
Введение Судовой валопровод представляет собой систему валов, соединенных в единую линию, обеспечивающую передачу крутящего момента от двигателя к гребному винту и восприятие осевого усилия от движителя к корпусу судна. Выход из строя судового валопровода наносит ущерб, во много раз превышающий стоимость разрушенного вала. Возникают ремонтные расходы, включающие оплату дока и стоимость заменяемых валов, а иногда и утерянных гребных винтов, потери эксплуатационной прибыли за время вынужденного простоя, затраты на буксировку судов. Практический срок эксплуатации крупных судов без ремонта определяется в большой степени техническим состоянием дейдвудного узла и величиной зазора между гребным валом и дейдвудными подшипниками, который в процессе износа подшипников увеличивается. На величину зазора в дейдвудных подшипниках влияют не только материал трущейся пары и диаметр вала, но и скорость износа узла, вибрация вала, зависящая от величины зазора, напряжения в теле вала, удельные нагрузки на антифрикционный материал, принятая технология и достигнутая точность сборочно-монтажных работ, уровень технической эксплуатации и другие факторы. Причиной ускоренного износа может являться обрыв, поломка и прогибы лопастей, которые приводят к дисбалансу гребного винта и возникновению дополнительной нагрузки на дейдвудные подшипники. При износе дейдвудного подшипника происходят повреждения гребного вала, его облицовки и самих подшипников, возникают дополнительные динамические нагрузки, которые являются причиной возникновения поперечных колебаний. В [1] отмечается, что при определённых износах дейдвудного подшипника возникает явление резонанса при рабочих частотах валопровода, о чем свидетельствует сильное биение валопровода о дейдвудный подшипник. Исходя их этого можно предположить, что с увеличением износа дейдвудных подшипников значение собственной частоты колебаний валопровода снижается. Колебания валопровода ускоряют процесс износа дейдвудных подшипников и нередко приводят к аварийным повреждениям не только самих валов, но и коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, редукторов и других элементов судовых энергетических установок. По данным судоремонтных заводов, только стоимость постановки судна в док составляет около 120-140 тыс. руб., причем оплата дока в сутки составляет примерно 18-20 тыс. руб. Помимо этого, происходит потеря эксплуатационной прибыли за время вынужденного простоя судна, а при проведении ремонта возникают значительные сложности и наблюдается большая потеря времени при разборке и последующей сборке, а также монтаже всех элементов валопровода. В [2] при анализе износа по длине капролоновых втулок дейдвудных подшипников указывается, что износ по длине неравномерный и представляет собой параболу, причем наибольшее значение износа приходится на кормовой конец втулки подшипника. Математическое описание задачи Для сравнительного анализа влияния жесткости и износа кормового дейдвудного подшипника на собственную частоту ω валопровода проведём его расчет на поперечные колебания. Расчетная схема представляет собой балку с изгибной жесткостью EJ, опирающуюся на одну шарнирно-неподвижную и на две упругие опоры с жесткостью k1 и k2 соответственно (рис. 1, а). Упругие опоры и расстояние между ними моделируют кормовой дейдвудный подшипник (рис. 1, б). а б Рис. 1. Расчетная схема валопровода судна: M - масса гребного винта; m - погонная масса гребного вала; R0, RA, RB - реакции опор Граничные условия для данной расчетной схемы примут вид (1) Дифференциальное уравнение свободных изгибных колебаний такой балки на каждом пролёте имеет вид (2) где ξ - поперечное смещение сечения балки; z - координата сечения; EJ - жесткость сечения при изгибе; m - погонная масса балки. Решение уравнения (2) ищем как ξ = y (z) sin (ωt + φc) , где y - амплитуда колебаний балки; ω - собственная частота; φc - сдвиг фаз (будем считать, что φc = 0). Используя известные функции А. Н. Крылова, представленные в [3], из уравнения (2) находим: , где (3) где y0, φ0, M0, Q0 - соответственно амплитуда прогиба, угла поворота, изгибающего момента и поперечной силы при z = 0. Построение алгоритма расчета Найдем функцию прогибов для всех пролётов балки. Учтём, что при положительных перемещениях опорных сечений вниз реакции упругих опор направлены вверх и равны: ; . (4) Функция амплитуды прогиба на первом участке (0 £ z £ a) имеет вид . (5) При функция (5) равна: Функция амплитуды прогиба на втором участке (0 £ z £ b) имеет вид (6) При функция (6) примет вид (7) Из условия (4) величина (7) равна: Функция амплитуды прогиба на третьем участке (0 £ z £ с) будет иметь вид (8) При функция (8) равна: Запишем граничные условия (1) на левом конце расчетной схемы (в точке С): (9) Из выражения (3) собственная частота будет равна: (10) Тогда граничные условия (9) в точке C примут вид (11) Преобразуем граничные условия (11) системы. Пусть T = M/m. Тогда система граничных условий (11) примет вид Исходя из граничных условий (1) и непрерывности прогиба в точках А и B, получаем систему однородных уравнений: (12) Пусть (13) Условие существования ненулевого решения, как указывалось ранее, для системы однородных уравнений (12) с учетом (13) состоит в равенстве нулю её определителя: (14) Для многопролётной балки получить частотное уравнение в аналитической форме практически невозможно из-за сложности зависимостей элементов уравнения от особенностей пролётов и опор. Численное определение собственных частот состоит в следующем. Вычисляется значение величины α (3), входящей в функции А. Н. Крылова, при которой определитель (14) равен нулю. Для этого строится график зависимости определителя W от значения α. После определения α по уравнению (10) определяем циклическую частоту балки. Оценка влияния величины износа кормового дейдвудного подшипника на собственную частоту валопровода судна «Хазар-1» Оценим влияние жесткости упругих опор на собственную частоту при поперечных колебаниях валопровода для судна типа «Хазар-1» (рис. 2). Диаметр гребного вала d = 108 мм. Значение коэффициента жесткости упругих опор, моделирующих капролоновый дейдвудный подшипник, принимаем равным 0,36 ∙ 108 Н/м. При поперечных колебаниях валопровода судна «Хазар-1» с коэффициентом жесткости опор k1 = k2 = 0,36 ∙ 108 Н/м значение собственной частоты составляет примерно 53 с-1. Так как износ по длине неравномерный, то и значение коэффициента жесткости k2 в точке В будет меньше значения коэффициента жесткости k1 в точке А, поэтому для оценки влияния износа кормового дейдвудного подшипника на собственную частоту поперечных колебаний ω валопровода уменьшим k2 на 10-50 %. (15) Рис. 2. Расчетная схема судового валопровода судна «Хазар-1» Коэффициент жесткости k1 в точке А оставим неизменным. Результаты расчета представлены в таблице. Влияние коэффициента жесткости упругой опоры в точке В Частота вращения n, % Коэффициент жесткости k2 · 108, H/м2 Собственная частота ω, c-1 Относительное удлинение δ = (ωi - ωi + 1)/ωi + 1 · 100, % 10 0,34 51,7 2,58 20 0,3 50,4 2,4 30 0,28 49,22 2,24 40 0,26 48,14 2,08 50 0,24 47,16 - По результатам расчетов построен график (рис. 3) зависимости собственной частоты ω от изменения n (15). Рис. 3. График зависимости собственной частоты ω от n Как видно из графика, при уменьшении коэффициента жесткости значение собственной частоты понижается. При уменьшении коэффициента жесткости k2 на 50 % собственная частота ω валопровода понизилась примерно на 13 %. Заключение По результатам приведённых расчетов можно сделать вывод, что при износе кормового дейдвудного подшипника собственная частота валопровода при поперечных колебаниях понижается, и это приводит к возникновению явления резонанса. Полученные результаты будут использованы при проектировании валопроводов судов.
1. Abramovich B. G. Eksperimental'noe issledovanie rabotosposobnosti deydvudnyh podshipnikov na krupnomasshtabnoy modeli valoprovoda / B. G. Abramovich, V. A. Merkulov // Voprosy sudostroeniya. Cer.: Tehnologiya sudostroeniya. SPb.: CNII Rumb, 1977. Vyp. 15. C. 46-52.
2. Mamontov V. A. Analiz iznosov kaprolonovyh vtulok deydvudnyh podshipnikov grebnogo vala / V. A. Mamontov, A. I. Mironov, Ch. A. Kuzhahmetov, A. A. Halyavkin // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2012. № 1. S. 30-35.
3. Smirnov A. F. Stroitel'naya mehanika / A. F. Smirnov, A. V. Aleksandrov, B. Ya. Laschenikov, N. N. Shaposhnikov // Dinamika i ustoychivost' sooruzheniy. M.: Stroyizdat, 1984. 416 s.
