CC BY
12УДК 629.12.037.4
В. В. Колыванов, ассистент, ВГАВТ. 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ СОПУТСТВУЮЩИХ ПОЛОМКАМ ГРЕБНЫХ ВАЛОВ
Статья содержит анализ и статистические данные поломок гребных валопроводов.
Предложен ультразвуковой метод дефектации гребных валопроводов.
Поломки гребных валов являются довольно частыми событиями на отечественном и мировом флоте, так как в процессе эксплуатации валы приобретают различные дефекты. К основным видам износов и повреждений гребных, промежуточных и упорных валов относятся: неравномерный износ шеек; наработки, забоины и задиры на них; задиры и истирания упорных гребней; фреттинг-коррозия; недостаточный натяг облицовок; трещины [1, 2, 3, 7]. В мировой практике эксплуатации крупнотоннажных судов систематически наблюдаются повреждения и поломки гребных валов. Причины повреждений весьма разнообразны. Наиболее опасными повреждениями в валах являются усталостные трещины [3]. Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях и затем развивается вглубь вала, образуя острый надрез. Такие трещины являются сильными концентраторами напряжений, которые под действием циклических нагрузок приводят к разрушению валов.
Систематическое изучение причин и факторов, сопутствующих авариям, началось примерно с 1925г. [5]. По данным опубликованного в 1935г. доклада Дори - инспектора Регистра судоходства Ллойда, из 46478 гребных валов, обследованных за деся-тилетие, было забраковано из-за глубоких трещин 1483, а 204 вала сломались. Таким образом, число валов, подлежащих замене, составило 3.63 % от числа осмотренных. Основной причиной выхода валов из строя была признана коррозионная усталость.
По данным Германского Ллойда только в 1938г. произошло 229 отказов гребных валов, из них 73 вала сломалось [5]. При этом учтены лишь те аварии, которые имели тяжелые последствия: необходимость оказания помощи судну в море, гибель судна и др.
Подавляющее большинство обнаруженных усталостных трещин развивалось у большого основания конуса гребного вала и шпоночного паза. Средний срок службы обследованных морских судов составлял 3,5-7 лет.
На судах типа «Либерти» к 1949г. причиной аварий гребных валов признано расположение критической зоны крутильных колебаний 3-его порядка (главный двигатель (ГД) - паровая машина) вблизи зоны проектной эксплуатационной частоты вращения ГД, причем нагружение гребных валов существенным образом увеличивалось при ходе судна в балласте (недостаточное погружение винта) и оголение винта при плавании в штормовых условиях, сопровождающемся частыми резкими ускорениями двигателя. Было рекомендовано ограничение частоты вращения ГД применение гребных винтов с измененными пропульсивными и инерционными характеристиками, установка массивных маховиков ГД, промежуточных валов увеличенного диаметра [5].
Тем не менее, статистические данные Регистра Судоходства Ллойда (1960г.) свидетельствуют о том, что в те годы ежегодно браковались 3,5 % всех гребных валов, находящихся в эксплуатации.
По статистическим данным Норвежского бюро Веритас (1962 г.) трещины на валах танкеров встречались примерно в 4 раза чаще, чем на валах сухогрузных судов, что объяснено в первую очередь большим коэффициентом полноты корпуса у нефтеналивного судна и, следовательно, большими значениями изгибающего момента от
внецентренносп ловия плавания В американ ных валов, в ос многочисленны распространив Японским i гребных валов трещины от ил ременного кр>~ч странявшиес* п Анализ ote ция которых, кг кормовой облщ шенным о крали том, что устало кормовой облит Авторы ана вааа несовершв имела доступ к гиба и кручения В Правилах чёта судовых b¡ держиваются и руют минималь удовлетворяет тверждение раб В более pai меры валов не мулам,требова мость расчёта е риалов также о!
Проверочнь как стержневой [Ткр = MKp/W¡
силой от упора лентные напрял ваются с коэфф
Расчёт кру-ния, возникаю! зонансных вын исследование к ческой установ Практичес! не предусматр! венно учтён эм
164
Вестник ВГАВТ
внецентренности упора. Валы с увеличенными диаметрами в расчете на ледовые условия плавания разрушались реже.
В американском торговом флоте также наблюдался частый выход из строя гребных валов, в основном, из-за трещин в районе большого основания конуса. Особенно многочисленными были случаи растрескивания у переднего конца шпоночного паза, распространявшихся по окружности у кормового конца облицовки.
Японским классификационным обществом было забраковано более 6,5 процента гребных валов из 2800, осмотренных в течение 8 лет. Причинами были усталостные трещины от изгиба, в основном, в районе большого основания конуса, и от знакопеременного кручения, характерные признаки которого - х-образные трещины, распространявшиеся под углом 45° к оси [3, 6].
Анализ отказов гребных валов (1966г.) на танкерах типа «Казбек» ЧМП, конструкция которых, как и на большинстве речных судов включала в себя участки носовой и кормовой облицовок с межоблицовочным участком (цевьем) меньшего диаметра защищенным окрашиванием или покрытием вулканизированной резиной, свидетельствует о том, что усталостные трещины наиболее часто появлялись в районе носовой галтели кормовой облицовки (66-83 %) и кормовой галтели носовой облицовки (33-13 %).
Авторы анализа признали причиной появления трещин в указанных зонах гребного вала несовершенство стыка защиты цевья и облицовок, в результате чего морская вода имела доступ к усталостным микротрещинам в местах концентрации напряжений от изгиба и кручения, вследствие чего скорость развития трещин существенно увеличивалась.
В Правилах Российского Речного Регистра начиная с 1995г. в основу методов расчёта судовых валопроводов положен нормативный метод. Аналогичных методов придерживаются и другие классификационные общества. При этом Правила регламентируют минимальные диаметры валов, при условии, что материал для их изготовления удовлетворяет требованиям Правил. В дальнейшем Правила предусматривают подтверждение работоспособности валопровода расчётом его на крутильные колебания.
В более ранних редакциях Правил (1952 г., 1961 г.) в случае, если принятые размеры валов не соответствовали размерам, определённым по соответствующим формулам, требовалось представление расчёта вала на прочность и усталость. Необходимость расчёта валопроводов методами строительной механики и сопротивления материалов также обосновывалась Правилами.
Проверочный расчёт прочности валопровода выполняется в статической постановке как стержневой системы, нагруженной крутящим моментом от передаваемой мощности [ткр =Мкр/И/р), изгибающим моментом от сил тяжести {дшг = Мизг /IV), осевой
силой от упора винта бсж =4Р/да/^ и монтажными нагрузками 8монт. Эквивалентные напряжения 8п определяются по энергетической теории прочности и сравниваются с коэффициентами запаса относительно предела текучести.
5П = + + 5монт У + •
Расчёт крутильных колебаний, при котором определяются касательные напряжения, возникающие в деталях валопровода, от резонансных, околорезонансных и нерезонансных вынужденных колебаний также можно считать квазистатическим, так как исследование колебаний выполняется для установившегося режима работы энергетической установки.
Практически ни один из методов расчёта не учитывает фактора времени, то есть не предусматривает расчёта вала на выносливость. Возможно, временной фактор косвенно учтён эмпирическими коэффициентами, принимаемыми в расчётах.
Вместе с тем, детали валопровода длительное время работают в условиях сложного напряжённого состояния и отказ в связи с накоплением усталостных повреждений и образованием трещин в теле вала происходит вследствие многократного действия различных нагрузок в период эксплуатации для чего имеются необходимые и достаточные условия накопления усталостных напряжений.
Необходимыми условиями накопления усталостных повреждений являются напряжения, переменные во времени, а достаточными - превышение предела выносливости от действующих эксплуатационных нагрузок.
В соответствии с существующими подходами, при нестационарных нагружениях и при условии, что амплитуда действующих напряжений выше предела выносливости, принимается, что накопление усталостных повреждений в деталях валопровода происходит в соответствии с гипотезой о линейном суммировании усталостных повреждений.
В мире не существует единых требований по расчетам валопроводов, каждое классификационное общество имеет свои расчеты, взять расчеты Норвежского бюро Веритас и Германского Ллойда минимального диаметра гребного вала:
• Норвежское бюро Веритас:
Минимальный диаметр гребного вала
Р_ пп
560
г.+160 х_4.
где (1„ - минимальный диаметр;
к - коэффициент для различных особенностей конструкции вала; п0- номинальное число оборотов (мин1)-, Р - номинальная мощность (кВт);
Оа - предел прочности на разрыв (Н/мм~) материала вала, взятый для расчетов;
- фактический внутренний диаметр вала (мм) й - фактический наружный диаметр вала (мм)
• Германский Ллойд:
(I >Г-к
1-
V44
I
ч*.
где с! - требуемый наружный диаметр вала;
с11 - диаметр осевого отверстия в вале, при условии что такое имеется. Если отвер-
стие в вале составляет < (1, то 1 —
с1а - фактический диаметр вала (мм);
Р„- номинальная мощность силовой установки (кВт);
п - номинальная частота вращения вала (мин');
У7- коэффициент, учитывающий тип силовой установки. Для гребных валов/=100.
С„ - коэфф»
К ~ време к - коэффии Подробный па, мощности и | по результатам с мен, в общем, вь возникали прей» наруживалось та Первая пол ных судов прел Инспекциями Р< приходится на р 15 процентов. > В результат серии 14 гребнь а 2 сломались в паза и большой КОрМОВОЙ ООДК1
Большой вк поломок внести Пшотщ и др.
Изучение гн зали, что наиба подступичная ч цами ступицы е лицовочное про Актуальное оборудования ч рывно связано < чения, экономя т. п. В настоящ тически отсутст щиеся сегодня I ждународным < последние годы лей судовых ва тимальное фор» валопроводов. г печат надежное Выход из с вышающих ста эксплуатацион! судна и т. д. Ра виях делает су. следствиям. По ты гребного ва Виды эксплуатг
166
Cw - коэффициент, зависящий от материала, С„, =-;
* Лт+160
т
Rm - временное сопротивление материала (Н/мм2);
к - коэффициент, учитывающий конструкцию и тип вала.
Подробный статистический анализ аварийности гребных валов в зависимости от типа, мощности и расположения главных двигателей был выполнен Пембертоном и Смедли по результатам обследований более чем 8000 валов за 7 лет. Он показал, что процент замен, в общем, выше на судах с кормовым расположением машинной установки. Трещины возникали преимущественно в районе шпоночного паза. Значительное их количество обнаруживалось также у большого основания конуса и у кормового торца облицовки.
Первая попытка статистического анализа повреждений гребных валов отечественных судов предпринята Рейнбергом и Искрицким по материалам освидетельствований Инспекциями Регистра СССР за десятилетний период. Наибольшее число разрушений приходится на район большого основания конуса - 20 процентов, у шпоночного паза -15 процентов, у кромок облицовок - 10 процентов от общего числа повреждений [1].
В результате осмотра судов типа «Ленинский комсомол» показал, что на 24 судах серии 14 гребных валов были забракованы по причине глубоких усталостных трещин, а 2 сломались в море, 23 процента повреждений приходится на участок шпоночного паза и большого основания конуса, по 20 процентов - у кормового и носового торцов кормовой облицовки [3].
Большой вклад в изучении повреждаемости гребных валов и анализа причин их поломок внесли Л. Т. Балацкий, Н. М. Кохан, В. С. Яценко, Т. W. Bunyan, Pham Quöc Thuöng и др.
Изучение повреждений гребных валов и анализ приведенных выше данных показали, что наиболее повреждаемые участки вала следующие: участок шпоночного паза; подступичная часть в районе большого основания конуса и промежуток между торцами ступицы и облицовки; участки вала под торцами облицовок; облицовки; межоблицовочное пространство (при раздельных облицовках); резьба.
Актуальность решения проблемы повышения надежности и прочности судового оборудования морского и речного флота вследствие их комплексного характера неотрывно связано с современными методами проектирования, технологического обеспечения, экономического и организационного управления, планирования, контроля и т. п. В настоящее время состояние флота находится не в лучших положениях. Практически отсутствует обновление судов, нет средств на строительство новых. Находящиеся сегодня в эксплуатации суда не могут отвечать современным требованиям Международным стандартам МАКО, ИМО, ISO-2000, Кодекса ПДНВ-95. Особенно в последние годы эксплуатации судов увеличились случаи аварийного состояния деталей судовых валопроводов. Поэтому важнейшей частью этой проблемы является оптимальное формирование свойств материалов применяемых для изготовления деталей валопроводов, а также разработка методики диагностики валопровода, которые обеспечат надежность и прочность при эксплуатации судового оборудования.
Выход из строя валопровода приводит к финансовым потерям, во много раз превышающих стоимость разрушенного вала. Возникают ремонтные расходы, потери эксплуатационной прибыли за время вынужденного простоя, затраты на буксировку судна и т. д. Разрушение гребного вала в рейсе при неблагоприятных погодных условиях делает судно практически неуправляемым и может привести к серьёзным последствиям. Поэтому изучение вопросов, связанных с повышением надёжности работы гребного вала и его прочности способствует уменьшению аварийности на флоте. Виды эксплуатационных повреждений гребных валов достаточно многообразны.
Анализ статистических данных по количеству случаев повреждений гребных валов в период с 1992 по 2009 годы (рис.), представленных Верхне-Волжским Филиалом Российского Речного Регистра, показывает, что проблема эксплуатационных поломок гребных валов весьма актуальна.
Q ° о Q
0
о
1992 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Год
Рис. Статистические данные по количеству случаев повреждений гребных валов в период с 1992 по 2009 годы
Таким образом, диагностика гребных валов, как при изготовлении, так и ремонте, наиболее опасных, с точки зрения повреждаемости, участков гребных валов позволяет своевременно предотвратить опасность разрушения во время эксплуатации. Последнее время ужесточаются требования, предъявляемые к судовым энергетическим установкам, а также к их узлам и системам. Появляются новые средства и методы диагностирования. Одним из перспективных методов, применяемый для СЭУ. является ультразвуковой метод при помощи которого можно определять внутренние напряжения. и трещины в валах [4].
Список литературы
[1] Балацкий Л. Т., Анализ повреждений гребных валов на крупнотоннажных нефтеналивных судах типа «Прага» / Л. Т. Балацкий и др. // Морской флот. - 1970. - № 2.
[2] Балацкий Л. Т., О развитии трещин в процессе устатости при фрегинге / Л. Т. Балацкий. Г.Н. Филимонов // Судостроение. - 1968. -№11.
[3] Балацкий Л. Т., Повреждения гребных валов / Л. Т. Балацкий, Г. И Филимонов // - М.: Транспорт, 1970. - 141 с.
[4] Клюев. В В. Неразр\шающий контроль. Акустическая тензометрия: Справочник. - М.: Машиностроение, 2004, Т. 4, Кн. 1.
[5] Кохан Н. М. Ремонт валопроводов морских судов / Н. М. Кохан, В. И. Друг. - М.: Транспорт, 1980.-240 с.
[6] Bunvan T.W., Fatigue Performance of Marine Shafting / T.W. Bunvan //ASTMSTP.: Proceedings, 1958, №216.
[7] Fielding S.A., Design Improvements and Standartization of Propulsion Shafting and Bearings / S.A. Fielding // Marine Technology: vol. 3, 1966, № 2.
ANALYSIS OF FACTORS RELATED BREAKDOWN PROPELLER
SHAFTS
V. V. Kolyvanov
This article contains statistics breakdowns propeller shafts. Showed strength calculation shafting. Identified places the most frequent failures shafts.
168
УДК 621.31 :<
В. И. Саму лее* В. В. Александр Т. Н. Гусаком 603950, Нижни
повы
ПО <
В данной но-регухируа вирования ка
Остановимс тировании. изгс Стадия про работы при соб. исходя из котор по надежности ми процессами ческих данных 1 вания электрод Особо важь электропривода гда приносит ш вие увеличения тропривода. а т сложной систем Пусть Ао и зированного и е ДС от простоя ПЧ-Д. установл
где - расчете казов неоптимк Е„ - нормат 1Ср-строи Тэ - период К, - коэффи В„р - стоим< Оптимизаш скольких его те сти, быстродей( нечный предел, тельный эффеп полнительных з сящим от интен
