Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The paper considers the conditions for reliability of the ship rudder-propeller complex, whose operation depends on the status of the stern bearings of the ship shafting. Stern bearings are plain bearings located in the vessel's stern tube, they support the propeller shaft of the ship’s shafting. The stern tube is similar for all types of ships, inside which there are located the bearings and a sealing device that prevents ingress of outboard water inside the vessel. It is pointed out that the stern bearings made of caprolone have certain advantages over other traditionally used materials. The numerical values of the main parameters of caprolone stern bearings are presented on the basis of normative and regulatory documents. It is stated that physical and mechanical properties of caprolone in almost all respects are higher than those of other materials currently used for this purpose. Along with strength and high load capacity, caprolone has a low friction coefficient (0.04-0.08). To study the contact of the propeller shaft with the stern bearing there is considered a design diagram (a beam resting on an elastic base with a stiffness coefficient k). The stiffness coefficient of the elastic foundation characterizes the elastic and mechanical properties of the stern bearing. It is proved that caprolone used in stern bearings allows increasing the reliability of the ship’s shafting by full contact with the propeller shaft, reducing vibration and noise, resisting the erosion wear, and increasing safety
ship shafting, stern bearing, caprolone, elastic base, stiffness coefficient, deflection, reliability
Введение
Повышение надежности и безопасности эксплуатации речных и морских судов является одной из важнейших задач судостроения и судоремонта в Российской Федерации. От ее решения зависит повышение эффективности эксплуатации судов, рентабельность их использования. Эффективность эксплуатации, в свою очередь, в значительной степени определяется надежностью винторулевого комплекса, которая зависит от рабочего состояния дейдвудных подшипников валопроводов судов. Дейдвудные подшипники (кормовые, носовые) представляют собой подшипники скольжения, которые расположены в дейдвудной трубе судна [1–3]. Они являются опорой для гребного вала судового валопровода. Кормовой дейдвудный подшипник, расположенный близко к гребному винту, является самым нагружаемым и воспринимает большие нагрузки со стороны самого гребного вала и винта.
В целом дейдвудное устройство одинаково для всех видов судов и представляет собой дейдвудную трубу, внутри которой находятся подшипники и уплотнительное устройство, предотвращающее проникновение забортной воды внутрь судна [2].
Критерием рабочего состояния при эксплуатации дейдвудных подшипников является величина зазора и длина контакта между гребным валом и втулкой или вкладышами дейдвудного подшипника. Отклонение вышеуказанных параметров от нормативных значений приводит к статической и динамической неустойчивости всего винторулевого комплекса судна [2, 4, 5].
Материалы исследования
В течение ряда последних лет для изготовления дейдвудных подшипников более широко применяют капролон, который имеет преимущества по сравнению с традиционно используемыми цветными металлами, бакаутом, текстолитом, капроном и др.
Капролон (полиамид 6-блочный) представляет собой продукт анионной полимеризации капролактама, проводимой непосредственно в форме. Капролон является высокопрочным материалом, который может подвергаться всем основным видам механической обработки (точение, фрезерование, шлифование, сверление, резание, строгание и т. д.) на металлорежущих станках.
Основные преимущества данного вида подшипников:
– экологичность, т. к. имеется возможность смазываться только водой, что увеличивает отвод тепла при охлаждении и не загрязняет окружающую среду, в отличие от смазки, например, маслом;
– уменьшение вибрации и шума (дейдвудные подшипники легко адаптируются к вибрациям и сглаживают действие переменных и циклических нагрузок);
– хорошая сопротивляемость эрозионному износу (могут работать в воде и не требуют специальных уплотняющих прокладок в отличие от обычных подшипников, которые нуждаются в защите от протечки смазки и попадания мелких частиц в подшипник).
Физико-механические свойства капролона практически по всем показателям выше, чем у применяющихся в настоящее время для этой цели материалов. Наряду с прочностью и высокой нагрузочной способностью капролон обладает низким коэффициентом трения (рис. 1 [3, 4, 6–8]) в диапазоне 0,04–0,08.
Рис. 1. Среднее значение коэффициента трения
материалов
Fig. 1. Mean value of the material friction coefficient
Следует отметить, что полученные в работах [4, 9] результаты позволяют сделать вывод о низкой скорости износа (в 2–4 раза) капролона по сравнению с другими широко используемыми материалами.
Численные значения основных параметров капролоновых дейдвудных подшипников представлены в таблице.
Среднее значение коэффициента трения материалов
Mean value of material friction coefficient
|
Численное значение показателей согласно |
||||
|
[10] |
[11, 12] |
[13] |
[8] |
|
|
Плотность, кг/м3 |
(1,15–1,16) ·103 |
(1,15–1,16) ·103 |
(1,15–1,16) ·103 |
Не менее 1,15·103 |
|
Водопоглощение за 24 ч, %, не более |
1,5–2,0 |
1,5–2,0 |
1,5–2,0 |
– |
|
Предельное водопоглощение, %, не более |
6,85 |
7,4 |
7,4 |
4,2 |
|
Предел прочности при растяжении, МПа |
Не менее 80,0 |
88,3–93,3 |
64–68 |
– |
|
Предел прочности при сжатии, МПа |
Не менее 70,0 |
Не менее 90 |
75–80 |
Не менее 90 |
|
Коэффициент трения |
0,08 |
0,04–0,08 |
0,04–0,08 |
0,04–0,08 |
|
Модуль упругости при растяжении, МПа |
2,3·103 |
(2,02·103)–(2,26·103) |
Не менее 2,2·103 |
Не менее 2,2·103 |
Результаты опытных и экспериментальных исследований капролоновых дейдвудных подшипников на реальных судах свидетельствуют [4, 8, 9, 13], что на долговечность их работы существенно влияет правильность назначения монтажного зазора с учетом технологических факторов монтажа и склонности капролона к набуханию, а также точности изготовления подшипников (овальность, шероховатость и т. д.). Как правило, предельное водопоглощение, которое и является критерием такого процесса, как набухание, находится в диапазоне 4,2–7,2 (см. табл.), авторы работы [14] предлагают новые марки капролона производства ООО «НТО «Альвис» с предельным водопоглощением не более 2 %. Безусловно, минимальное водопоглощение должно повысить срок службы и улучшить рабочее состояние дейдвудного устройства судна, позволит упростить технологию изготовления втулок или вкладышей дейдвудных подшипников при постройке или ремонте судов и назначить нужный монтажных зазор.
Важно отметить, что в работах [8, 9, 13] упоминается об относительно низкой теплопроводности, что обусловливает хорошее охлаждение подшипника. Упругие и демпфирующие свойства капролоновых подшипников также послужили критерием повышения надежности дейдвудного устройства судна на основе поперечных колебаний, а именно предотвращения резонансного состояния валопровода при рабочих частотах [5, 7, 15].
Статический расчет судового валопровода
Для исследования влияния упругих и механических свойств дейдвудных подшипников на рабочее состояние гребного вала рассмотрим расчетную схему на рис. 2. Балка постоянной по длине сечения нагружена распределенной нагрузкой q и сосредоточенной нагрузкой P, модулирующими вес гребного вала и винта.
Рис. 2. Расчетная схема валопровода:
RC, MC – реакция и изгибающий момент в защемленной опоре
Fig. 2. Design diagram of shafting: RC, MC - reaction and bending moment in a clamped support
На правом конце балки расположена защемленная опора. Балка опирается на упругое винклерово основание с коэффициентом жесткости k [16], которое моделирует дейдвудный подшипник общей длиной l2.
Составим уравнение прогиба на каждом участке исследуемой расчетной схемы, принимая во внимание условия сопряжения.
Уравнение прогиба балки на первом консольном участке длиной l1 на основании метода начальных параметров примет вид [16]:
(1)
где yz – прогиб балки; y0, φ0 – начальные параметры (прогиб и угол поворота в начале координат); EJx – жесткость балки при изгибе; z – координата сечения балки.
При z = l1 уравнение прогиба балки (1) в точке А будет иметь следующее выражение:
Принимая во внимание общую дифференциальную связь между параметрами напряженно-деформированного состояния валопровода (прогиб балки, угол поворота φz, изгибающий момент Mz, поперечная сила Qz):
параметры в точке А будут иметь вид:
Уравнение прогиба балки на упругом основании длиной l2 представляет собой следующее выражение [16]:
(2)
где Ki(βz) (i = 1, 2, 3, 4) – функции А. Н. Крылова;
где k – коэффициент жесткости основания, H/м2.
Функции А. Н. Крылова Ki(βz) по координате z имеют следующие выражения [16]:
Прогиб балки (2) в точке B (см. рис. 1) при z = l2 будет иметь уже следующее выражение:
Угол поворота φB, изгибающий момент MB, поперечная сила QB в точке B будут иметь следующий вид:
Уравнение прогиба балки на третьем участке длиной пролета l3 примет вид:
При z = l3 с учетом граничных условий в защемленной опоре:
(3)
В защемленной опоре угол поворота также равен 0 (φС = 0):
(4)
На основании полученных выражений (3) и (4) и условий сопряжения участков исследуемой расчетной схемы определяем выражения прогиба балки y0 и угла поворота φ0 в точке О.
В качестве примера рассмотрим гребной вал судна с заданными параметрами: P = 1,8 кН; q = 1 378 Н/м; l1 = 0,3 м; l2 = 0,5 м; L = 2,5 м. Диаметр гребного вала dгр принимаем равным 150 мм. На первоначальном этапе коэффициент жесткости k = 0,5·109 Н/м2 – характеризует упругость материала капролона [12]. На рис. 3 представлен график прогиба балки по длине упругого основания.
Рис. 3. Прогиб балки по длине упругого основания
Fig. 3. Deflection of the beam along the elastic base
Согласно графику (рис. 3) прогиб балки по длине упругого основания непостоянный. Наибольшее его значение достигается на конце основания ближе к консольной части расчетной схемы (см. рис. 2). Поэтому во многих работах [3, 4, 8] результат экспериментальных исследований подтвердил, что уменьшение длины ближайшего к движителю дейдвудного подшипника (кормового) в 1,5–2,5 раза способствует более равномерному изнашиванию его и шейки вала по длине вследствие уменьшения кромочных нагрузок. Укороченные подшипники надежно работают в морской воде в различных водных бассейнах независимо от их конструктивного исполнения. Скорость изнашивания таких подшипников не превышает скорости изнашивания подшипников обычной длины [3, 4, 8, 9].
На рис. 4 представлена диаграмма изменения прогибов в точках О, А и B исследуемой расчетной схемы при изменении длины упругого основания от 0,5 до 0,3 м с шагом 0,1 м.
Рис. 4. Прогиб балки при разной длине упругого основания (l2): yО – ряд 1; yA – ряд 2; yB – ряд 3
Fig. 4. Deflection of the beam at different lengths of the elastic base (l2): yO - row 1; yA - row 2; yB - row 3
Согласно рис. 4 при уменьшении длины значения прогибов выравниваются между собой, что свидетельствует о равномерности распределения нагрузки по длине упругого основания.
Далее произведем оценку влияния коэффициента жесткости на прогиб балки в точке действия сосредоточенной нагрузки расчетной схемы (см. рис. 2). Максимальный прогиб ymax в точке О определим при значении коэффициента жесткости, равного нулю. Тогда расчетная схема представляет собой консольную балку общей длиной L (рис. 5). Для определения уже минимального значения прогиба ymin балки в точке О рассмотрим также консольную балку длиной l1, которая моделирует участок I основной исследуемой расчетной схемы.
Рис. 5. Расчетная схема консольной балки
Fig. 5. Design diagram of the cantilever beam
Уравнение статического прогиба по длине консольной балки (рис. 5) будет иметь следующий вид:
тогда:
– максимальный прогиб в точке О (см. рис. 5):
– минимальный прогиб в точке О (см. рис. 2):
На рис. 6 представлен график изменения прогиба балки в точке О (см. рис. 2) при изменении коэффициента жесткости упругого основания в диапазоне от 0 до 1010 Н/м2.
Рис. 6. Определение длины контакта X: yO – ряд 1; ymax – ряд 2; ymin – ряд 3
Fig. 6. Determination of contact length X: yO - row 1; ymax - row 2; ymin. - row 3
Таким образом, капролоновые дейдвудные подшипники обладают достаточными упругими свойствами, чтобы обеспечить высокую надежность гребного вала и всего винторулевого комплекса судна при эксплуатации.
Заключение
На основании вышеприведенных исследований можно сделать общий вывод, что капролоновые подшипники надежно работают в морской и речной воде в многочисленных типах морских судов независимо от диаметра и материала шейки гребного вала. Применение современных марок капролона повышает рабочее состояние дейдвудных подшипников, поскольку позволяет предотвратить изменение рабочего зазора в подшипнике вследствие водопоглощения. Упругие и прочностные свойства капролона допускают использование укороченных подшипников, что, в свою очередь, сокращает расход материала и время на изготовление, снижает неравномерное распределение нагрузки, действующее со стороны гребного вала и винта по длине подшипника.
1. Grigor'ev A. K. Opyt ekspluatatsii deidvudnykh podshipnikov s kaprolonovymi plankami na atomnom ledokole «Iamal» v 1999-2009 gg. [Experience in operating stern tube bearings with caprolon strips on Yamal nuclear icebreaker in 1999-2009]. Sudostroenie, 2011, no. 5, pp. 52-53.
2. Drut V. I., Kokhan N. M. Opredelenie ustanovochnykh zazorov v deidvudnykh podshipnikakh sudovykh valoprovodov [Determining mounting clearances in stern tube bearings of ship shafting]. Sudostroenie, 1981, no. 5, pp. 40-42.
3. Elizarov V. N., Seredin D. G. Kaprolon dlia deidvudnykh podshipnikov [Caprolone for stern tube bearings]. Morskoi flot, 1975, no. 5, pp. 54-55.
4. Smirnov B. I. Iznosostoikost' grebnykh valov s kaprolonovymi podshipnikami [Wear resistance of propeller shafts with caprolone bearings]. Sudostroenie, 1975, no. 4, pp. 25-27.
5. Khaliavkin A. A., Loshadkin D. V., Auslender A. Ia., Mamontov V. A., Shatskov D. O. Vliianie materiala deidvudnykh podshipnikov na chastotu poperechnykh kolebanii sudovogo valoprovoda [Influence of material of stern tube bearings on frequency of transverse oscillations of ship's shafting]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2018, no. 4, pp. 24-30. DOI:https://doi.org/10.24143/2073-1574-2018-4-24-30.
6. Nunuparov S., Kholost A. Vmesto bakauta - kaprolon [Caprolone instead of bakout]. Morskoi flot, 1978, no. 3, pp. 48-48.
7. Rubin M. B., Bakhareva V. E. Podshipniki v sudovoi tekhnike: spravochnik [Bearings in ship technology: reference book]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1987. 344 p.
8. Seredin D. G., Matsnev V. K. Effektivnost' primeneniia kaprolona v sudostroenii i sudoremonte [Efficiency of using caprolon in shipbuilding and ship repair]. Sudoremont flota rybnoi promyshlennosti, 1979, no. 40, pp. 36-39.
9. Elizarov V. N., Seredin D. G. Ukorochennye deidvudnye podshipniki iz kaprolona [Shortened stern tube bearings made of caprolon]. Sudostroenie, 1975, no. 11, pp. 41-43.
10. RTM 31.5004-75. Podshipniki skol'zheniia grebnykh valov iz nemetallicheskikh materialov. Tekhniko-ekspluata-tsionnye trebovaniia k materialam, izgotovleniiu i ekspluatatsii [RTM 31.5004-75. Propeller shaft plain bearings made of non-metallic materials. Technical and operational requirements for materials, manufacture and operation]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200001411 (accessed: 12.10.2020).
11. OST 5.4183-76. Podshipniki grebnykh i deidvudnykh valov kaprolonovye. Obshchie tekhnicheskie usloviia [OST 5.4183-76. Bearings of propeller and stern shafts are caprolon. General specifications]. Available at: https://nd.gostinfo.ru/document/3545086.aspx (accessed: 12.10.2020).
12. PTM 31.5034-78. Podshipniki grebnykh i deidvudnykh valov kaprolonovye. Tekhnologicheskie trebovaniia k izgotovleniiu i montazhu pri sudoremonte [PTM 31.5034-78. Bearings of propeller and stern shafts are caprolon. Technological requirements for manufacturing and installation during ship repai]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200001411 (accessed: 12.10.2020).
13. Zuev Iu. N., Tupitsyn L. V. Perspektivy primeneniia v sudovom mashinostroenii novogo poliamida - deklona [Prospects for using new polyamide (declon) in ship engineering]. Tekhnologiia sudostroeniia, 1982, no. 7, pp. 44-45.
14. Bodiagin V. N., Starkova M. V. Novye marki kaprolona [New brands of caprolone]. Glavnyi mekhanik, 2015, no. 4, p. 54.
15. Mironov A. I., Denisova L. M. Vliianie deidvudnykh podshipnikov na kolebaniia valoprovodov sudov [Influence of stern tube bearings on vibrations of ship shafting]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2004, № 1 (20), pp. 125-130.
16. Aleksandrov A. V., Potapov V. D., Derzhavin B. P. Soprotivlenie materialov [Strength of materials]. Moscow, Vysshaia shkola Publ., 1995. 560 p.
