CC BY
23
DOI: 10.24143/2073-1574-2018-4-24-30 УДК 629.5.035-233.1-233.21-034:534.011
А. А. Халявкин, Д. В. Лошадкин, А. Я. Ауслендер, В. А. Мамонтов, Д. О. Шацков
ВЛИЯНИЕ МАТЕРИАЛА ДЕЙДВУДНЫХ ПОДШИПНИКОВ НА ЧАСТОТУ ПОПЕРЕЧНЫ1Х КОЛЕБАНИЙ СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА
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 дви-гательно-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.
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 ва-лопровода 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 с. Как указывается в работе [3], связанной с поперечными колебаниями судового валопровода, достаточно рассмотреть только его кормовую часть. Упругие опоры моделируют кормовой и носовой дейд-вудный подшипники. Реакция в упругих опорах судового валопровода принимает вид
RI =-су,, (1)
где с - коэффициент жёсткости упругой опоры, Н/м, обратной по направлению реакции R; 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 с, Н/м, в вертикальном (и в любом другом радиальном направлении) будет иметь вид [6]:
с = 0 = (2)
Д г 4А
где Е - модуль упругости материала, МПа; Н - толщина дейдвудного подшипника, м; й - диаметр гребного вала, м; 0 - реакция дейдвудного подшипника, Н; Д2 - осадка дейдвудного подшипника, м.
Как видно из уравнения (2), коэффициент жёсткости зависит от модуля упругости материала Е и толщины дейдвудного подшипника Н, диаметра гребного вала й.
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 2Х-324УМТ. Результаты вычисления коэффициента жёсткости с размерностью Н/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 с. На конце балки расположена сосредоточенная нагрузка Р, 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; Ь - длина пролета; L - общая длина
Упругая опора и сосредоточенная нагрузка моделируют кормовой дейдвудный подшипник и гребной винт соответственно.
Упругая опора действует на балку силой RB = еЬ.
Из условия суммы моментов определяем жёсткость k на конце балки:
к = е(3) Ь
Уравнение поперечных колебаний с одной степенью свободы принимает вид
тх + кх = 0. (4)
После подстановки (3) уравнение (4) приводится к виду
х + сЬ- х = 0. (5)
т1
Тогда выражение собственной частоты, согласно (5), примет вид
Ь Гс
ю = —. —. Пт
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 Ь, м 1, м т, кг к, Н/м га, рад/с
Резина 1,13 • 108 353,98
Бакаут РТМ 31.5004-75. 4,61 4,977 774 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.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
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.
Статья поступила в редакцию 05.07.2018
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Халявкин Алексей Александрович — Россия, 414000, Астрахань; ООО «Газпром добыча Астрахань»; канд. техн. наук; ведущий инженер-технолог; sopromat112@mail.ru.
Лошадкин Дмитрий Владимирович — Россия, 143026, Москва; ООО «Инновационный центр Пластмасс Групп»; канд. хим. наук; директор по развитию отдела новых разработок; loshadkindv@hotmail.com.
Ауслендер Анна Яковлевна — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный университет; ассистент кафедры мировой экономики и финансов; auslender.anna@mail.ru.
Мамонтов Виктор Андреевич — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, доцент; профессор кафедры судостроения и энергетических комплексов морской техники; sopromat112@mail.ru.
Шацков Денис Олегович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный университет; канд. физ.-мат. наук; доцент кафедры математики и методики её преподавания; denislli@mail.ru.
A. A. Halyavkin, D. V. Loshadkin, A. Ya. Auslender, V. A. Mamontov, D. O. Shatskov
INFLUENCE OF MATERIAL OF DEADWOOD BEARINGS ON FREQUENCY OF CROSS FLUCTUATIONS OF THE SHIP SHAFT LINE
Abstract. The article describes the ship shaft line which is a constructive complex linking kine-matically the main propulsion engine to the thruster and designed to pass torque moments and axial loads, appearing in the operation process of the ship propulsion system. Service life of the ship shaft line depends on operational condition of stern bearings in the shaft tube, that is why they should have high resistance against actual loads and preserve operational characteristics. There is studied the influence of elastic properties of stern bearings on numerical value of eigen frequency under cross oscillations if the ship shaft line. Assessment of influence of the deadwood bearing material on the rigidity coefficient is made. The settlement scheme for studying cross fluctuations represents a beam with constant cross section that leans on one hinged immovable elastic support with a rigidity coefficient c. At the end of a beam there is a concentrated load. The elastic support and the concentrated load model the stern bearing and the propeller screw, respectively. The technique of determining the rigidity coefficient subject to mechanical and geometrical parameters of the ship shaft line and its deadwood bearings is described. The importance of the numerical value of the rigidity coefficient of different materials of plugs of deadwood bearings when calculating cross fluctuations of the ship shaft line has been estimated. The real ship shaft line is investigated.
Key words: ship shaft line, deadwood bearing, rigidity coefficient, cross fluctuations of the ship shaft line, eigen frequency values, elasticity module.
REFERENCES
1. Komarov V. V. Sostoianie ukladki grebnykh valov na deidvudnykh oporakh [Laying shaft lines on dead-wood supports]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2006, no. 2 (31), pp. 259-267.
2. Mamontov V. A., Khaliavkin A. A., Kushner G. A., Razov I. O. Otsenka vliianiia zhestkosti materiala kormovogo deidvudnogo podshipnika na rabotosposobnost' sudovogo valoprovoda [Assessment of influence of rigid material of the stern bearing on efficiency of the ship shaft line]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2017, no. 4, pp. 80-87.
3. Merkulov V. A., Pasumanskii E. M. Raschet prochnosti grebnykh valov s uchetom izgibaiushchikh usilii, obuslovlennykh kachkoi sudov [Analysis of ship shaft line strength subject to bending moments stipulated by rolling]. Sudostroenie, 1984, no. 7, pp. 19-22.
4. Mironov A. I., Khaliavkin A. A. O vozmozhnosti vozniknoveniia parametricheskikh kolebanii v sisteme valoprovoda [Possibility of parametric vibrations in the shaft system]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2010, no. 1, pp. 131-135.
5. Khaliavkin A. A., Komarov M. P., Mamontov V. A. Otsenka vliianiia iznosa kormovogo deidvudnogo podshipnika na sobstvennuiu chastotu pri poperechnykh kolebaniiakh valoprovoda sudna [Assessment of the stern bearing wear on eigen frequency under cross vibrations of the ship shaft line]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2014, no. 3, pp. 13-20.
6. Khaliavkin A. A., Mamontov V. A., Kushner G. A., Kupriashin I. A. Otsenka vliianiia raspolozheniia opor sudovogo valoprovoda na ego zhestkost' [Assessment of the influence of shaft line supports on shaft line rigidity]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2017, no. 3, pp. 74-79.
7. Polyurethane Polymers: Composites and Nanocomposites. 1st Edition. Ed. by S. Thomas, J. Datta Jozef, H. Arunima Reghunadhan. Elsevier, 2017, 634 p.
The article submitted to the editors 05.07.2018
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Halyavkin Alexey Aleksandrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Gazprom Dobycha Astrakhan, Ltd.; Candidate of Technical Sciences; Leading Technological Engineer; sopromat112@mail.ru.
Loshadkin Dmitry Vladimirovich — Russia, 143026, Moscow; Innovation Center Plastmass Group, Ltd., Candidate of Chemical Sciences; Head of the Department of Project Development; loshadkindv@hotmail.com.
Auslender Anna Yakovlevna — Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State University; Assistant of the Department of World Economics and Finance; auslender.anna@mail.ru.
Mamontov Victor Andreevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department of Shipbuilding and Power Complexes of Marine Facilities; sopromat112@mail.ru.
Shatskov Denis Olegovich — Russia 414056, Astrakhan; Astrakhan State University; Candidate of Physics and Mathematics; Assistant Professor of the Department of Mathematics and Teaching Methodology; denislli@mail.ru.
