Россия
Россия
Рассматривается судовой валопровод и его конструкция. В зависимости от конструктивных особенностей, условий работы, воздействий постоянных, динамических, переменных и случайных нагрузок эксплуатация валопровода сопровождается износом конструкции и вспомогательных деталей. Приведены формулы расчетов предельно допустимых зазоров при эксплуатации в дейдвудных подшипниках гребных валов, соответствующие нормам и технико-эксплуатационным требованиям. Представлен график определения предельно допустимых зазоров в металлических дейдвудных подшипниках. Проведен динамический расчет валопровода, целью которого является определение влияния жесткостных параметров дейдвудных подшипников на собственную частоту поперечных колебаний. Отмечается, что срок службы валопровода зависит от выбранного материала втулок или вкладышей дейдвудных подшипников судна (бакаут, баббит, текстолит, капролон, бронза, полиуретаны, резина) и величины их износа. Представлена расчетная схема судового валопровода на упругих опорах с коэффициентом жесткости. Для оценки влияния упругих свойств дейдвудных подшипников использован метод начальных параметров. Среди исследователей сложилось общее мнение: чем больше износ дейдвудных подшипников, тем ниже значение их коэффициента жесткости. При определенной величине износа дейдвудных подшипников возникает явление резонанса при самых низких рабочих частотах. Доказано, что чем больше значение прогиба в точке крепления гребного винта, тем меньше собственная частота поперечных колебаний валопровода. Указывается, что при динамических расчетах следует принимать во внимание отрыв гребного вала от самого дейдвудного подшипника, поскольку именно он способствует уменьшению собственной частоты и появлению резонанса при поперечных колебаниях.
судовой валопровод, дейдвудный подшипник, износ, зазор, коэффициент жесткости, прогиб балки
Введение
Судовой валопровод как система соединенных между собой валов (гребного, промежуточного, упорного) по одной оси является связующим звеном между двигателем и гребным винтом. Он опирается на дейдвудные и промежуточные подшипники. Количество подшипников и их расположение зависит от геометрических и рабочих параметров самого валопровода. К основным геометрическим параметрам относится диаметр и длина валопровода; к рабочим – частота вращения, крутящий момент и т. д. Основной функцией валопровода является передача крутящего момента от двигателя к винту и восприятия продольного усилия от винта к корпусу судна. Повышение срока службы, рабочих параметров и режимов при эксплуатации валопровода – актуальные задачи судостроительной отрасли в настоящее время, что подтверждается большим количеством опубликованных научных работ [1–7].
Определение допускаемой величины износа дейдвудных подшипников
Безусловно, валопровод представляет собой сложную динамическую систему, что обусловлено конструктивными особенностями, условием работы, действием постоянных, динамических, переменных и случайных нагрузок.
При эксплуатации валопровода происходит износ и образование дефектов не только самого валопровода (рис. 1), но и его вспомогательных элементов.
Рис. 1. Трещины в районе шейки гребного вала
Вспомогательными элементами валопровода являются дейдвудные подшипники, материал, длина и форма сечения которых зависят от класса судна или типа водных путей, где оно эксплуатируется (например, река – море). Есть зависимости также от диаметра и частоты вращения валопровода, расстояния между опорами и воспринимаемыми нагрузками.
Одним из главных параметров рабочего состояния дейдвудных подшипников судов является предельный зазор между гребным валом и самим дейдвудным подшипником, в процессе износа увеличивающийся. Предельно допустимые зазоры при эксплуатации в дейдвудных подшипниках гребных валов, набранных планками из бакаута, древесных слоистых пластиков ДСП-А и ДСП-Б, древеснотекстолитового пластика Д5ТСП, лигнита, новотекса, капрона и резино-металлическими цельными и капролоновыми втулками должны соответствовать нормам, определяемым по формулам [5, 8]:
– для дейдвудных подшипников с вкладышами из неметаллических материалов при диаметре вала по облицовке dгр ≤ 600 мм:
Δ = 0,012dгр + 1,8;
– для дейдвудных подшипников с вкладышами из неметаллических материалов при диаметре вала по облицовке dгр ≥ 600 мм:
Δ = 0,02dгр + 6,
где Δ – предельный допустимый зазор при эксплуатации, мм; dгр – диаметр вала (по облицовке), мм.
В работе [9] для определения предельно допустимых зазоров, мм, в металлических дейдвудных подшипниках представлено выражение
Δ = 0,005dгр + 1. (1)
На основании зависимости (1) приведен график предельно допустимых в эксплуатации зазоров (рис. 2).
Рис. 2. Определение предельно допустимых эксплуатационных зазоров
в металлических дейдвудных подшипниках
Расчет судового валопровода с учетом упругих свойств дейдвудных подшипников
В различных работах, связанных с исследованиями статического и динамического расчетов судового валопровода, отмечено, что разработчики пытаются учесть упругие и механические свойства дейдвудных подшипников уже при проектировании судового валопровода. Расчетная схема представляет собой балку круглого постоянного или переменного сечения, которая лежит на упругих опорах с коэффициентом жесткости размерностью Н/м, моделирующих дейдвудные подшипники.
В расчетных схемах, где дейдвудные подшипники заменяются упругими опорами, реакции которых основываются на законе Гука (согласно которому возникающая в упругом теле деформация пропорциональна приложенной к этому телу силе [5, 7]), реакцию в упругих опорах представляют как
Ri = – kyi, (2)
где k – коэффициент жесткости, Н/м; yi – величина осадки упругой опоры, м. Однако данный параметр, как известно, характеризует и описывает материал дейдвудных подшипников и его рабочее состояние. То есть коэффициент жесткости зависит от величины износа Δ дейдвудного подшипника. Существует общее мнение: чем больше значения износа, тем ниже коэффициент жесткости [6]:
Δ = min → max;
k = max → min.
Уменьшение жесткости дейдвудных подшипников приводит к повышению напряженно-деформированного состояния всего валопровода и возникновению резонансного состояния.
В различных исследованиях приводится численное значение коэффициента жесткости упругих опор без ссылок на источники (табл. 1).
Таблица 1
Значение коэффициента жесткости в зависимости от материала
|
Материал |
Модуль упругости |
Коэффициент жесткости |
||
|
Численное значение, МПа |
Источник |
Численное значение, Н/м |
Источник |
|
|
Резино-металлический |
– |
[8] |
1,3·108 1,7·108 |
[2] [3] |
|
Резино-эбонитовый |
– |
[8] |
2,3·108 |
[3] |
|
Капролон |
2,3·103 |
[8] |
0,36·108 2,5·108 |
[5] [2] |
|
Бакаут |
2,3·103 |
[10] |
5·108 |
[2] |
|
Баббит |
52·103 |
[11] |
≥ 5·108 |
[5] |
Для оценки влияния коэффициента жесткости упругих опор, моделирующих кормовой и носовой подшипники, рассмотрим расчетную схему валопровода на рис. 3.
Рис. 3. Расчетная схема судового валопровода: P – сосредоточенная нагрузка;
L – длина валопровода; q – распределенная нагрузка;
k1 и k2 – коэффициенты жесткости упругих опор; RA, RB, RC – реакции опор
Для определения прогиба балки V0 в месте приложения сосредоточенной силы воспользуемся универсальным уравнением изогнутой оси балки, записанным по методу начальных параметров [12]:
(3)
где yz – прогиб балки; y0, φ0 – начальные параметры (прогиб и угол поворота в начале координат); EJx – жесткость балки при изгибе; a, b, d – расстояние от начала координат до сечений, где приложены внешние нагрузки; z – координата сечения балки.
Записанное уравнение прогибов (3) в полном виде для каждого участка имеет 6 неизвестных параметров: прогиб V0, угол поворота сечения φ0 в начале координат; реакции на упругих опорах R1, R2; изгибающий момент М2 и реакцию R3 в защемленной опоре. Исходя из четырех граничных условий (М(0) = 0, Q(0) = P, M(L) = 0, V(L) = 0) и двух условий на упругих опорах (2) составим систему четырех однородных уравнений:
В табл. 2 представлены значения реакций в опорах, изгибающего момента в защемленной опоре, прогиба на конце балки диаметром 120 мм (в точке действия сосредоточенной нагрузки, характеризующей гребной винт) при изменении коэффициента жесткости в диапазоне с 1·106 по 1·1010 Н/м (рис. 4). Частота вращения вала – 6,68 с–1 (42 рад/c); лопастная частота судна nл = 168 рад/c.
Таблица 2
Влияние коэффициента жесткости опор на основные параметры расчетной схемы
|
k, Н/м |
R1, H |
R2, H |
R3, H |
(P + qL), Н |
M2, H·м |
V0, мм |
|
1‧106 |
4 411,12 |
1 103,04 |
1 166,6 |
6 680,7597 |
3 807,47 |
6,12 |
|
1‧107 |
6 244,93 |
471,43 |
–35,6 |
35,43 |
1,15 |
|
|
1‧108 |
6 971,95 |
–1 207,72 |
916,53 |
221,74 |
0,37 |
|
|
1‧109 |
7 135,94 |
–1 680,92 |
1 225,74 |
375,11 |
0,26 |
|
|
1‧1010 |
7 154,88 |
–1 736,79 |
1 262,67 |
395,11 |
0,25 |
Рис. 4. Расчетная схема валопровода морского судна
Таким образом, с повышением коэффициента жесткости упругих опор (k1 = k2 = k) значения реакций в опорах стремятся к значениям, полученным при расчете балки на шарнирных опорах (рис. 5), т. к. соответствуют значениям, указанным в расчетах проектирования судна.
|
R2 |
|
R3 |
|
R1 |
Рис. 5. Значение реакций в опорах от коэффициента жесткости
Произведем оценку влияния коэффициента жесткости упругих опор в исследуемой расчетной схеме на значение собственной частоты поперечных колебаний. Принимая во внимание значение прогибов V0 (см. табл. 2), вычисляем собственную частоту [12]:
На рис. 6 проиллюстрирована зависимость собственной частоты от прогиба на конце балки.
Рис. 6. Зависимость собственной частоты ω от изгиба V0 балки
Согласно графику (рис. 6) при значении коэффициента жесткости дейдвудных подшипников выше 1·108 Н/м собственная частота валопровода в точке расположения гребного винта не меняется. Каждый рассматриваемый материал на основании его упругих и механических свойств (см. табл. 1) обеспечивает достаточную жесткость. Но в работах [1, 2, 10] указывается изменение собственной частоты до резонансного состояния при износе дейдвудных подшипников.
Заключение
Результаты вышеприведенного исследования позволяют сделать вывод, что при статических и динамических расчетах рассматривать только упругие и механические свойства дейдвудного подшипника недостаточно. В расчетах необходимо учитывать отрыв валопровода от дейдвудного подшипника, что характеризует изменение жесткости вала с дейдвудным подшипником во времени. Данный процесс лишь усиливается при увеличении износа дейдвудных подшипников и действии внешних нагрузок, что и приводит к резонансному состоянию при рабочих частотах вращения судового валопровода.
1. Виноградов С. С., Гавриш П. И. Износ и надежность винто-рулевого комплекса судов. М.: Транспорт, 1970. 232 с.
2. Кельзон А. С., Январев Н. В., Мурамович В. Г. Оптимизация укладки судовых валопроводов // Судостроение. 1993. № 5. С. 15-16.
3. 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.
4. Михайлова М. А. Анализ изнашивания дейдвудных подшипников в зависимости от физико-механических характеристик материала вкладышей и условий эксплуатации судна // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2005. № 2 (25). С. 135-140.
5. Халявкин А. А. Разработка методики определения допускаемых износов дейдвудных капролоновых подшипников на основе расчетов поперечных колебаний валопроводов судов: дис. ... канд. техн. наук. Астрахань, 2014. 148 с.
6. Халявкин А. А., Ауслендер А. Я. Оценка влияния упругих свойств кормового дейдвудного подшипника на значение собственной частоты при линейных поперечных колебаниях судового валопровода // Вестн. Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2018. Т. 10. № 5. С. 983-992. DOI:https://doi.org/10.21821/2309-5180-2018-10- 5-983-992.
7. Халявкин А. А., Макеев С. А., Лошадкин Д. В., Мамонтов В. А., Саламех Али, Шацков Д. О., Ауслендер А. Я. Оценка влияния упругих свойств подшипников скольжения дейдвудного устройства судна на значение коэффициента жесткости // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2020. № 1. С. 83-93. DOI:https://doi.org/10.24143/2073-1574-2020-1-83-93.
8. РТМ 31.5004-75. Подшипники скольжения гребных валов из неметаллических материалов. Технико-эксплуатационные требования к материалам, изготовлению и эксплуатации. URL: http://www.iprosoft.ru/docs/?nd=1200060657 (дата обращения: 20.08.2020).
9. Кохан Н. М., Друт В. И. Ремонт валопроводов морских судов. М.: Транспорт, 1980. 238 с.
10. Балацкий Л. Т., Бегагоен Т. Н. Эксплуатация и ремонт дейдвудных устройств морских судов. М.: Транспорт, 1975. 160 с.
11. ASM Handbook. Vol. 2: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. ASM International. Handbook Committee, 1990. 1328 p.
12. Александров А. В., Потапов В. Д., Державин Б. П. Сопротивление материалов. М.: Высш. шк., 1995. 560 с.
