ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ИЗНОСА КОРМОВОГО ДЕЙДВУДНОГО ПОДШИПНИКА НА СОБСТВЕННУЮ ЧАСТОТУ ПРИ ПОПЕРЕЧНЫХ КОЛЕБАНИЯХ ВАЛОПРОВОДА СУДНА
Авторы:
1.
Каспийский институт морского и речного транспорта им. генерал-адмирала Федора Матвеевича Апраксина, филиал Волжского государственного университета водного транспорта
(кандидат технических наук; доцент кафедры судомеханических дисциплин)
2.
Астраханский государственный технический университе
3.
Астраханский государственный технический университет
(доктор технических наук, доцент; профессор кафедры судостроения и энергетических комплексов морской техники)
Тип:
Статья
Страницы:
с 13
по 20
Статус:
Опубликован
Получено:
20.08.2014
Одобрено:
25.08.2014
Опубликовано:
25.08.2014
Классификаторы:
УДК 629.12.037.4.004.6
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
валопровод, поперечные колебания, износ кормового дейдвудного подшипника
Аннотация (русский):
Рассматриваются собственные частоты поперечных колебаний гребного вала с учетом износа кормового дейдвудного подшипника. В процессе эксплуатации валопровода происходит износ кормового дейдвудного подшипника. Износ по длине подшипника неравномерный, и наибольшее значение величины износа отмечается на конце кормового подшипника. При таком неравномерном износе во время эксплуатации судового валопровода происходит неполный контакт гребного вала с дейдвудным подшипником, и явление резонанса может возникнуть при рабочих частотах вала, приводя к неустойчивому состоянию валопровода. Вследствие этого возможен отрыв вала от дейдвудного подшипника, что, в свою очередь, вызывает ускоренный износ кормового подшипника. Ускоренный износ дейдвудных подшипников приводит к повреждению облицовки гребного вала, появлению усталостных трещин на валах валопровода, протечке дейдвудных сальников и, как следствие, к колебаниям гребного винта и гребного вала. Дейдвудные подшипники, установленные со стороны кормы или в ступице кронштейна судна, воспринимают постоянное непрерывное биение. Они не только несут на себе вес свисающей части концевого вала с гребным винтом, но и должны поглощать колебания винта и гребного вала, возникающие при движении лопастей через постоянно меняющийся попутный поток. Длительная работа при резонансном состоянии недопустима не только из-за неспокойного хода, но и по причине быстрого износа дейдвудного подшипника и возможности поломки вала. Анализ влияния величины износа кормового дейдвудного подшипника на собственную частоту гребного вала позволяет сделать вывод, что при износе кормового дейдвудного подшипника собственная частота валопровода при поперечных колебаний понижается. Учитывается также, что износ по длине дейдвудного подшипника неравномерный.
Рассматриваются собственные частоты поперечных колебаний гребного вала с учетом износа кормового дейдвудного подшипника. В процессе эксплуатации валопровода происходит износ кормового дейдвудного подшипника. Износ по длине подшипника неравномерный, и наибольшее значение величины износа отмечается на конце кормового подшипника. При таком неравномерном износе во время эксплуатации судового валопровода происходит неполный контакт гребного вала с дейдвудным подшипником, и явление резонанса может возникнуть при рабочих частотах вала, приводя к неустойчивому состоянию валопровода. Вследствие этого возможен отрыв вала от дейдвудного подшипника, что, в свою очередь, вызывает ускоренный износ кормового подшипника. Ускоренный износ дейдвудных подшипников приводит к повреждению облицовки гребного вала, появлению усталостных трещин на валах валопровода, протечке дейдвудных сальников и, как следствие, к колебаниям гребного винта и гребного вала. Дейдвудные подшипники, установленные со стороны кормы или в ступице кронштейна судна, воспринимают постоянное непрерывное биение. Они не только несут на себе вес свисающей части концевого вала с гребным винтом, но и должны поглощать колебания винта и гребного вала, возникающие при движении лопастей через постоянно меняющийся попутный поток. Длительная работа при резонансном состоянии недопустима не только из-за неспокойного хода, но и по причине быстрого износа дейдвудного подшипника и возможности поломки вала. Анализ влияния величины износа кормового дейдвудного подшипника на собственную частоту гребного вала позволяет сделать вывод, что при износе кормового дейдвудного подшипника собственная частота валопровода при поперечных колебаний понижается. Учитывается также, что износ по длине дейдвудного подшипника неравномерный.
Ключевые слова:
валопровод, поперечные колебания, износ кормового дейдвудного подшипника
валопровод, поперечные колебания, износ кормового дейдвудного подшипника
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. Абрамович Б. Г. Экспериментальное исследование работоспособности дейдвудных подшипников на крупномасштабной модели валопровода / Б. Г. Абрамович, В. А. Меркулов // Вопросы судостроения. Cер.: Технология судостроения. СПб.: ЦНИИ Румб, 1977. Вып. 15. C. 46-52.
2. Мамонтов В. А. Анализ износов капролоновых втулок дейдвудных подшипников гребного вала / В. А. Мамонтов, А. И. Миронов, Ч. А. Кужахметов, А. А. Халявкин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2012. № 1. С. 30-35.
3. Смирнов А. Ф. Строительная механика / А. Ф. Смирнов, А. В. Александров, Б. Я. Лащеников, Н. Н. Шапошников // Динамика и устойчивость сооружений. М.: Стройиздат, 1984. 416 с.
