CC BY
255
УДК 629.12.014.6:620.184.6
Н. Н. Кондратьев
ХАРАКТЕРНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ТРЕЩИН И ИЗЛОМОВ НА ВАЛАХ И БАЛЛЕРАХ
На практике часто ставится задача определить причины возникновения трещин и изломов различных валов и баллеров рулей и насадок на морских и речных судах. При этом требуется все причины поломок указать точно, ясно и кратко, с необходимыми обоснованиями.
Успех практического решения таких задач зависит не столько от сложных исследований и расчетов, сколько от умения вникать в существо исследуемого объекта, в условия его работы, умения найти удачные упрощающие предположения и правильно интерпретировать обнаруженные исходные и производные дефекты. При этом каждый обнаруженный дефект не только выявляет одну из причин поломки, но и подсказывает необходимое мероприятие по ее ликвидации.
Расположение трещин и изломов на валах и баллерах несет довольно существенную информацию о характере разрушающих нагрузок и реальных запасах прочности данных деталей.
В работе [1] дается анализ изломов деталей от усталостного разрушения как средство установления причин аварий машин. При этом делается ссылка на классификацию Д. Н. Видмана, когда различаются три типа изломов:
а) излом циклической перегрузки;
б) усталостный излом;
в) преждевременный усталостный излом.
Следует заметить, что указанные типы изломов в предлагаемой редакции мало отличаются друг от друга и не годятся для заключений при расследовании поломок конкретных деталей, когда требуется указать конкретные причины аварии.
Широко известно фронтальное изображение излома в наиболее общем виде, которое уместно здесь напомнить.
Зона постепенного развития трещины имеет относительно гладкую, иногда мелкозернистую поверхность со ступеньками и рубцами. Ступеньки и рубцы часто бывают слабо выражены. Зона долома обычно более рельефна, крупнозерниста, груба, что говорит о том, что она образуется при очень быстром разрушении.
Площадь зоны долома косвенно говорит о коэффициенте запаса прочности данной детали. Иногда зона долома велика и составляет 80-90 % общей площади сечения. В этом случае деталь разрушается от очень сильного удара или чрезмерной нагрузки.
И. А. Одинг описывает три вида расположения трещин при разрушении валов:
1) под углом 45° к оси вала;
2) вдоль оси вала;
3) поперек вала.
Первый вариант характеризуется И. А. Одингом как усталостный излом циклического кручения при умеренных напряжениях в плоскости наибольших нормальных напряжений.
Второй и третий варианты характеризуются по И. А. Одингу как схемы расположения трещин при значительном коэффициенте усталостной перегрузки.
Исходя из реально решенных задач по определению причин поломок гребных валов, коленчатых валов судовых дизелей, а также баллеров логично выделить пять вариантов характерного расположения трещин и изломов на них с указанием конкретных установленных причин разрушения, включая вышеперечисленные виды расположения трещин.
Ниже приводятся примеры конкретных расследованных случаев разрушений валов и баллеров на речных и морских судах в г. Астрахани.
Первый вариант разрушения - трещины проходят под углом около 450 к оси валов по сложной винтовой поверхности, соответствующей максимальным растягивающим напряжениям при кручении. Это самый распространенный вариант разрушения гребных и коленчатых валов. Например, так разрушились гребные валы на танкерах «Волгонефть-119», «Вол-гонефть-124», «Волгонефть-56» и др., а также многие коленчатые валы судовых дизелей, особенно типа НВД 48 разных модификаций. При разрушении по первому варианту в большинстве случаев были обнаружены низкие механические свойства материала валов. При этом зона долома составляла по площади более 40 %. Иногда механические свойства соответствовали нормам. В этих случаях зона долома была меньше и составляла 20-30 % общей площади излома. При первом варианте причина разрушения - ударные или вибрационные нагрузки при кручении.
Практически всегда излом соединяет естественные концентраторы напряжений: галтели, отверстия, дефекты материала и пр.
Второй вариант разрушения валов и осей - трещины, вышедшие на поверхность, располагаются вдоль оси вала.
По второму варианту располагались трещины на одной из шатунных шеек нового коленчатого вала двигателя Г-76 танкера «Герой Асадов». Эти трещины появились через семь часов обкатки указанного двигателя без нагрузки после укладки нового коленчатого вала. Таким же образом разрушились все поршневые пальцы правого и левого главных двигателей 8НВД 48А у танкера «Волгонефть-158» при их сильной и длительной перегрузке.
Вполне очевидно, что такое разрушение произошло от поперечных изгибающих сил. При этом материал имел очень низкие механические свойства и недопустимые дефекты: закаленный слой имел неудовлетворительную микроструктуру и низкую твердость, неоднородность свойств по рабочей поверхности и по глубине. Такой вид трещин на валах и осях встречается редко.
Третий вариант разрушения - трещины располагаются поперек оси вала или баллера.
Так разрушился баллер танкера «Волгонефть-155» - по галтели перехода одного диаметра в другой. В таких случаях вал или баллер разрушается без зоны долома.
Четвертый вариант разрушения - трещина идет также поперек оси вала, но с ясно выраженной зоной долома. Так разрушился гребной вал танкера «Волгонефть-139».
При третьем и четвертом вариантах расположения трещин обязательно наличие в плоскости поперечного разрушения эффективных концентраторов напряжений:
- стыков облицовок, насаженных с натягом;
- входящих углов и галтелей;
- раковин, пор, забоин.
В указанных случаях разрушение происходит от сильных ударных изгибающих нагрузок на фоне низких механических свойств.
Пятый вариант разрушения - общий наклон поверхности излома к оси вала или баллера существенно отличается от угла в 450 (можно выделить две разновидности).
Консоль гребного вала танкера «Орион» разрушилась, когда плоскость излома к оси вала шла под углом 20-250 (1-я разновидность, приближающаяся ко второму варианту). При этом был потерян конец вала с гребным винтом. Материал вала имел низкие механические свойства и недопустимые производственные дефекты в поверхностной наплавке.
Разрушение баллера танкера «Волгонефть-152» имеет общий наклон поверхности излома к оси баллера 750 (2-я разновидность, приближающаяся к третьему варианту).
Большая площадь долома (более 90 %) говорит о сильном ударе в момент поломки. Руль при этом был частично повернут, что дало тридцатипроцентную составляющую разрушающей нагрузки от крутящего момента. Остальная основная разрушающая сила (~ 70 %) получилось от изгиба баллера при ударе руля о подводное препятствие. Такая картина разрушения подтверждается тем, что гнездо под нижний опорный подшипник баллера было сильно повреждено, его фланец был оторван.
Поверхность излома прошла естественным образом, соединив несколько эффективных концентраторов напряжений: три поверхностные трещины с порами в наплавленном материале, угол выхода одного из шпоночных пазов с дефектами наплавки и галтель перехода диаметра 270 мм в диаметр 250 мм.
Следует заметить, что практически все валы работают не только на кручение, но и на изгиб. Характер расположения трещин и изломов зависит от соотношения крутящих и изгибающих нагрузок, их величины и длительности времени воздействия, качества материала и взаимного расположения эффективных концентраторов напряжений.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Одинг И. А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. - М.: Машгиз, 1962. - 260 с.
К. М. Сурков
АЛГОРИТМ ОПТИМИЗАЦИИ РАЗБИВКИ КОРПУСА СУДНА НА БЛОКИ И СЕКЦИИ
Постройка судна в период от его закладки на стапельном месте до сдачи заказчику включает в себя сложный комплекс работ, связанных с формированием корпуса, монтажом механизмов и устройств, оборудованием помещений, проверкой работы механизмов, систем, устройств и т. п. Большое количество параметров, влияющих на трудоемкость и продолжительность корпусных, механомонтажных, трубомонтажных и достроечных работ, делает выбор технологической схемы постройки судна, и в частности оптимальной последовательности выполнения указанных работ, весьма сложной задачей. В результате ее решения должен быть определен оптимальный, по комплексу показателей, учитывающих массу, габариты, прочность и жесткость секций и блоков, вариант технологической схемы постройки судна в заданный срок при рациональном распределении рабочей силы и эффективном использовании возможностей стапельных мест и достроечной набережной.
Одним из возможных решений поставленной задачи является рациональная (оптимальная) схема разбивки корпуса судна на блоки и секции. Определение схемы разбивки корпуса на блоки и секции в настоящее время производится «вручную» на основе инженерного опыта и сложившихся традиций завода-строителя. Однако при использовании такого способа разбивки значительно снижается выбор оптимального варианта постройки судна. Как правило, при таком способе ограничиваются рассмотрением двух-трех вариантов, из которых выбирают один. В то же время ясно, что далеко не всегда принятые к рассмотрению варианты содержат оптимальные решения. Очевидно, лишь при рассмотрении большого числа возможных вариантов может быть найден оптимальный вариант или достаточно близкий к нему. Этого можно достичь лишь с использованием ЭВМ.
В настоящее время существует достаточное количество программных продуктов САПР судов. Одним из таких продуктов отечественного производства является САПР Sea Solution, с помощью которого создается математическая модель судна, описываемая уравнениями кривых линий и поверхностей Безье.
С помощью описания корпуса судна уравнениями кривых и поверхностей возможно определить оптимальный вариант схемы разбивки корпуса судна на блоки и секции, учитывая критерий оптимизации, зависящий от массы, габаритов, длины монтажных стыков, прочности и жесткости секции. Масса и габариты блока или секции должны быть максимальными, но не более грузоподъемности трансбордера или крана. Длины монтажных стыков должны быть наименьшими, а прочность и жесткость секции должны быть не менее допустимых пределов.
Оптимизация выбора схемы разбивки происходит по алгоритму, приведенному на рисунке.
Алгоритм оптимизации схемы разбивки корпуса на блоки и секции
Первоначально анализируется математическая модель объекта (судно целиком при разбивке на блоки или блок при разбивке его на секции), полученная в САПР Sea Solution с указанием толщины элементов, и вводятся допустимые значения критериев оптимизации: грузоподъемность кранов или трансбордеров, высота и ширина ворот и пролетов цехов, пределы прочности и жесткости. Затем автоматически рассчитывается матрица ком-
бинаций блоков в судне или секций в блоке размером N по принципу: для блоков учитывается каждый кольцевой монтажный стык, для секции - каждый паз и стык листов, входящих в состав блока; и начинается просчет всех возможных вариантов разбивки на секции или блоки. Последовательность:
1. Рассчитывается масса /-й комбинации.
2. Полученный результат сравнивается с допустимым значением масс; в случае отрицательного результата выполняется переход к следующему варианту.
3. Рассчитываются габариты блока или секции данной комбинации.
4. Полученные результаты сравниваются с допустимыми значениями габаритов; в случае отрицательного результата выполняется переход к следующему варианту.
5. Выполняется проверка прочности и жесткости комбинации. Полученные результаты сравниваются с допустимыми значениями прочности и жесткости; в случае отрицательного результата выполняется переход к следующему варианту.
6. Рассчитывается длина каждого из монтажных стыков.
7. Сравнение /-й комбинации с лучшей по массе и длине монтажных стыков (последнее предпочтительней, т. к. уменьшается трудоемкость на стапельном месте) и запоминание лучшей комбинации.
8. Если матрица комбинаций просчитана не вся, то выполняется переход к следующему варианту.
9. Вывод наилучшей комбинации и создание матрицы использованных элементов.
10. Если матрица содержит все элементы, то оптимизация закончена, в обратном случае из матрицы комбинаций исключаются использованные элементы и начинается расчет полученной матрицы комбинаций оставшихся элементов по пп. 1-10.
Расчет масс производится на основании вычисления площадей поверхностей элементов, описанных уравнениями Безье. Расчет прочности и жесткости секций и блоков производится методами строительной механики корабля.
По приведенному выше алгоритму была составлена и апробирована программа «ККБ8». Расчеты, выполненные с ее помощью для уставного судна, позволили оптимизировать схему разбивки судна на блоки и секции, которые имеют наиболее возможные массы и габариты и наименьшие длины монтажных стыков. Время расчета на ПК занимает 3-4 минуты. Если бы этот расчет производился вручную, он занимал бы несколько месяцев, не гарантируя получения хотя бы приблизительно оптимального варианта.
Выводы
1. В современных условиях выбор схемы разбивки судна на блоки и секции целесообразно выполнять путем анализа на компьютере большого количества возможных вариантов.
2. ЭВМ-анализ возможных комбинаций вариантов приводит к значительной экономии времени и повышению качества. В результате можно уменьшить трудоемкость технологической подготовки производства к постройке судна и ее сроки.
