ВЛИЯНИЕ МАТЕРИАЛА ДЕЙДВУДНЫХ ПОДШИПНИКОВ НА ЧАСТОТУ ПОПЕРЕЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА
Авторы:
1.
ООО «Эверс Груп Рус»
(кандидат химических наук; старший научный сотрудник, заместитель генерального директора)
Россия
Россия
2.
Астраханский государственный университет
(старший преподаватель кафедры мировой экономики и финансов)
3.
Астраханский государственный университет
(канд. физ.-мат. наук; доцент кафедры математики и методики ее преподавания)
4.
Астраханский государственный технический университет
(доктор технических наук, доцент; профессор кафедры судостроения и энергетических комплексов морской техники)
5.
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)
Тип:
Статья
Страницы:
с 24
по 30
Статус:
Опубликован
Получено:
20.11.2018
Одобрено:
25.11.2018
Опубликовано:
25.11.2018
Классификаторы:
УДК 629.5.035-233.1-233.21-034:534.011
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:
судовой валопровод, дейдвудный подшипник, коэффициент жёсткости, поперечные колебания судового валопровода, значения собственной частоты, модуль упругости
Аннотация (русский):
Рассматривается судовой валопровод, который представляет собой конструктивный комплекс, кинематически связывающий главный двигатель с движителем и предназначенный для передачи крутящих моментов и осевых нагрузок, возникающих при работе судовой двигательно-движительной установки, составной частью которой он является. Срок службы судового валопровода зависит от рабочего состояния дейдвудных подшипников, которые располагаются в дейдвудной трубе, поэтому они должны обладать высокой сопротивляемостью действующим нагрузкам и сохранять рабочее состояние при эксплуатации. Исследуется влияние упругих свойств дейдвудных подшипников на численное значение собственной частоты при поперечных колебаниях самого судового валопровода. Производится оценка влияния материала дейдвудных подшипников на их коэффициент жёсткости. Расчётная схема для исследования поперечных колебаний представляет собой балку постоянного по длине сечения и опирается на одну шарнирно-неподвижную и упругую опору с коэффициентом жёсткости с . На конце балки имеется сосредоточенная нагрузка. Упругая опора и сосредоточенная нагрузка моделируют кормовой дейдвудный подшипник и гребной винт соответственно. Описана методика определения коэффициента жёсткости с учётом механических и геометрических параметров судового валопровода и его дейдвудных подшипников. Оценивается значимость численного значения коэффициента жёсткости разных материалов втулок дейдвудных подшипников при расчёте поперечных колебаний судового валопровода. Исследуется реальный судовой валопровод.
Рассматривается судовой валопровод, который представляет собой конструктивный комплекс, кинематически связывающий главный двигатель с движителем и предназначенный для передачи крутящих моментов и осевых нагрузок, возникающих при работе судовой двигательно-движительной установки, составной частью которой он является. Срок службы судового валопровода зависит от рабочего состояния дейдвудных подшипников, которые располагаются в дейдвудной трубе, поэтому они должны обладать высокой сопротивляемостью действующим нагрузкам и сохранять рабочее состояние при эксплуатации. Исследуется влияние упругих свойств дейдвудных подшипников на численное значение собственной частоты при поперечных колебаниях самого судового валопровода. Производится оценка влияния материала дейдвудных подшипников на их коэффициент жёсткости. Расчётная схема для исследования поперечных колебаний представляет собой балку постоянного по длине сечения и опирается на одну шарнирно-неподвижную и упругую опору с коэффициентом жёсткости с . На конце балки имеется сосредоточенная нагрузка. Упругая опора и сосредоточенная нагрузка моделируют кормовой дейдвудный подшипник и гребной винт соответственно. Описана методика определения коэффициента жёсткости с учётом механических и геометрических параметров судового валопровода и его дейдвудных подшипников. Оценивается значимость численного значения коэффициента жёсткости разных материалов втулок дейдвудных подшипников при расчёте поперечных колебаний судового валопровода. Исследуется реальный судовой валопровод.
Ключевые слова:
судовой валопровод, дейдвудный подшипник, коэффициент жёсткости, поперечные колебания судового валопровода, значения собственной частоты, модуль упругости
судовой валопровод, дейдвудный подшипник, коэффициент жёсткости, поперечные колебания судового валопровода, значения собственной частоты, модуль упругости
Введение Современные темпы судостроения в России характеризуются малым количеством постройки судов в год. За последние 15-20 лет морской торговый, рыболовный и речной флот практически не пополнялся судами, поэтому их значительная часть, находящаяся в эксплуатации, в настоящее время имеет возраст около 20-25 лет и более. Модернизация деталей судна, повышение их надёжности путём полной и частичной замены подразумевают восстановление технического состояния судна до уровня, эквивалентного более молодому судну, возможность его эксплуатации в течение планируемого срока. Повышение эффективности работы двигательно-движительной установки напрямую влияет на снижение затрат на содержание судна, что в современных условиях имеет особую актуальность и значимость в судостроительной отрасли. Исследование поперечных колебаний валопроводов судов Как правило, судовой валопровод представляет собой конструктивный комплекс, кинематически связывающий главный двигатель с движителем и предназначенный для передачи крутящих моментов и осевых нагрузок, возникающих при работе судовой двигательно-движительной установки, составной частью которой он является. Судовой валопровод (рис. 1) работает в весьма сложных условиях и подвергается действию статических, динамических и случайных нагрузок. Как отмечается во многих работах [1-3], срок службы судового валопровода зависит от рабочего состояния его дейдвудных подшипников, которые располагаются в дейдвудной трубе непосредственно. При эксплуатации судна в дейдвудных подшипниках возникают постоянные и переменные нагрузки под действием сил и моментов, передаваемых гребному валу от гребного винта, которые вызывают напряжения. Сам двигатель передаёт на винт крутящий момент, который не является постоянным. Исходя из этого, можно сделать вывод, что дейдвудные подшипники должны обладать высокой сопротивляемостью действующим нагрузкам и сохранять рабочее состояние при эксплуатации судна в целом. К основным видам материала дейдвудных подшипников можно отнести капролон, бакаут, баббит, резину. Общий вид расположения дейдвудных подшипников с капролоновыми втулками представлен на рис. 2. Рис. 1. Структурная схема судового валопровода и его элементов Рис. 2. Дейдвудное устройство с капролоновыми подшипниками: 1 - втулка; 2 - втулка капролоновая; 3 - вал гребной; 4 - планка стопорная; 5 - гребной винт Помимо указанных материалов, широкое применение находят материалы Zedex компании «Инновационный Центр «Пластмасс Групп» (г. Москва). К основным положительным свойствам материала Zedex можно отнести незначительный коэффициент сухого трения и температурного расширения; высокую износостойкость, вибропрочность и демпфирование в широком диапазоне рабочих температур; способность поглощать крупные абразивные частицы и выталкивать мелкие в паре трения «металл - втулка» из Zedex; способность выдерживать высокое удельное давление и распределять по большей площади локальное давление, вызванное кромочным контактным напряжением; минимальное водопоглощение. Исходя из перечисленных критериев материала Zedex, можно сделать вывод, что к основным параметрам рабочего состояния дейдвудных подшипников нужно отнести не только их геометрические размеры, но и упругие свойства. При определённых износах дейдвудных подшипников, особенно кормового, вероятны возникновение поперечных колебаний судового валопровода и уменьшение численного значения собственной частоты. Во многих работах [2, 4, 5] при расчёте поперечных и параметрических колебаний и центровке судовой валопровод рассматривают как балку постоянного по длине сечения, которая опирается на шарнирно-неподвижные и упругие опоры с коэффициентом жёсткости c. Как указывается в работе [3], связанной с поперечными колебаниями судового валопровода, достаточно рассмотреть только его кормовую часть. Упругие опоры моделируют кормовой и носовой дейдвудный подшипники. Реакция в упругих опорах судового валопровода принимает вид (1) где с - коэффициент жёсткости упругой опоры, Н/м, обратной по направлению реакции Ri; i - количество упругих опор; у - осадка упругой опоры. Как видно из уравнения (1), с увеличением коэффициента жёсткости реакция опоры повышается, а следовательно повышается сопротивляемость дейдвудных подшипников действию статических, динамических и случайных колебаний. Осадка опоры от действия на него нагрузок с повышением коэффициента жёсткости уменьшается. В работе [6] для определения коэффициента жёсткости рассматривают математическую модель подшипника скольжения в виде двух элементов: вал и дейдвудный подшипник (рис. 3). Рис. 3. Схема взаимодействия гребного вала с кормовым дейдвудным подшипником: 1 - вал; 2 - тело подшипника На основании математической модели жёсткость подшипника c, Н/м, в вертикальном (и в любом другом радиальном направлении) будет иметь вид [6]: (2) где E - модуль упругости материала, МПа; h - толщина дейдвудного подшипника, м; d - диаметр гребного вала, м; Q - реакция дейдвудного подшипника, Н; Δz - осадка дейдвудного подшипника, м. Как видно из уравнения (2), коэффициент жёсткости зависит от модуля упругости материала E и толщины дейдвудного подшипника h, диаметра гребного вала d. На основании уравнения (2) был определён коэффициент жёсткости дейдвудных подшипников при разных видах материала судна ЖМЗ пр. 1375 типа «Днепр». Численное значение диаметра гребного вала с облицовочным покрытием составляет 200 мм. В качестве исследуемого материала была использована разновидность материала Zedex ZX-324VMT. Результаты вычисления коэффициента жёсткости с размерностью H/м представлены в табл. 1. Таблица 1 Численное значение коэффициента жёсткости дейдвудного подшипника судна ЖМЗ пр. 1375 типа «Днепр» Материал Модуль упругости Е, МПа Коэффициент жёсткости с, Н/м Резина РТМ 31.5004-75 90 1,13 · 108 Бакаут РТМ 31.5004-75 2 500 3,14 · 109 Капролон ТУ 2224-001-78534599-2006 3 000 3,77 · 109 ZX-324VMT 5 450 6,85 · 109 В качестве оценки влияния жёсткости дейдвудных подшипников на численное значение собственной частоты при поперечных колебаниях рассмотрим расчётную схему, которая представляет собой балку, опирающуюся на одну шарнирно-неподвижную и упругую опору с коэффициентом жёсткости c. На конце балки расположена сосредоточенная нагрузка P, моделирующая гребной винт. Сечение балки постоянно по её длине. Общий вид расчётной схемы представлен на рис. 4. Рис. 4. Расчётная схема судового валопровода: а - длина консоли; b - длина пролета; L - общая длина Упругая опора и сосредоточенная нагрузка моделируют кормовой дейдвудный подшипник и гребной винт соответственно. Упругая опора действует на балку силой Из условия суммы моментов определяем жёсткость k на конце балки: (3) Уравнение поперечных колебаний с одной степенью свободы принимает вид (4) После подстановки (3) уравнение (4) приводится к виду (5) Тогда выражение собственной частоты, согласно (5), примет вид На основании расчётной схемы и параметров судового валопровода судна ЖМЗ пр. 1375 типа «Днепр» был произведён расчёт численного значения собственной частоты при поперечных колебаниях. Результаты расчёта представлены в табл. 2. Таблица 2 Значение собственной частоты судового валопровода при разных материалах втулок дейдвудного подшипника Материал b, м l, м m, кг k, Н/м ω, рад/с Резина 4,61 4,977 774 1,13 · 108 353,98 Бакаут РТМ 31.5004-75. 3,14 · 109 1 865,64 Капролон 3,77 · 109 2 043,71 ZX-324VMT 6,85 · 109 2 754,58 Установленные зависимости до определённой степени могут рассматриваться в контексте изменения коэффициента жёсткости материалов под действием нагрузок. Максимальные значения собственной частоты вращения вала для капролона и молекулярного композита марки ZX-324VMT, видимо, объясняются коллективными влияниями вариаций уровня модуля упругости при перепадах нагрузок и способностью материалов компенсировать паразитные внешние воздействия на вал. Данные типы материалов препятствуют развитию вибраций, связанных с изгибом вала и плоскими изгибными колебаниями. Например, для ZX-324VMT известен эффект активного отклика на внешние воздействия за счёт молекулярного армирования, когда нестандартные условия эксплуатации задействуют структурные свойства материала, такие как различные деформативные способности смежных надмолекулярных доменов при внешних колебательных воздействиях любой амплитуды и частоты [7]. Для последнего параметра характерен очевидный рост на границах участков структуры с различными упругими показателями, что во многом объясняет расчётные параметры в табл. 2. Заключение Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что с увеличением модуля упругости материала втулки дейдвудного подшипника значение собственной частоты повышается. А это позволяет повысить надёжность судового валопровода и судна в целом. Ведь, как правило, при проектировании судового валопровода обязательным условием расчёта на поперечные колебания является условие, когда полученное значение собственной частоты 20-40 % превышает значение рабочей частоты с целью устранения резонансного состояния. Явление резонанса ускоряет выход из строя не только судового валопровода, но и его вспомогательных элементов.
1. Комаров В. В. Состояние укладки гребных валов на дейдвудных опорах // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2006. № 2 (31). С. 259-267.
2. Мамонтов В. А., Халявкин А. А., Кушнер Г. А., Разов И. О. Оценка влияния жёсткости материала кормового дейдвудного подшипника на работоспособность судового валопровода // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2017. № 4. С. 80-87.
3. Меркулов В. А., Пасуманский Е. М. Расчёт прочности гребных валов с учётом изгибающих усилий, обусловленных качкой судов // Судостроение. 1984. № 7. С. 19-22.
4. Миронов А. И., Халявкин А. А. О возможности возникновения параметрических колебаний в системе валопровода // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2010. № 1. С. 131-135.
5. Халявкин А. А., Комаров М. П., Мамонтов В. А. Оценка влияния износа кормового дейдвудного подшипника на собственную частоту при поперечных колебаниях валопровода судна // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2014. № 3. С. 13-20.
6. Халявкин А. А., Мамонтов В. А., Кушнер Г. А., Купряшин И. А. Оценка влияния расположения опор судового валопровода на его жёсткость // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. № 3. 2017. С. 74-79.
7. Polyurethane Polymers: Composites and Nanocomposites. 1st Edition. Ed. by S. Thomas, J. Datta Jozef, H. Arunima Reghunadhan. Elsevier. 2017. 634 p.
