CC BY
8УДК: 539.3/.6:629.5.03
Л.А. Пожидаева, И.А. Солодиков, А.В. Костенко
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: andr13kost@list.ru
К ВОПРОСУ О СОЗДАНИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА
В работе выполнен анализ условий и режимов эксплуатации судовых валопроводов, обоснована необходимость разработки интеллектуальной системы контроля динамических характеристик судового ва-лопровода.
Ключевые слова: валопровод судовой, нагрузки эксплуатационные, режимы работы, колебания крутильные, резонанс, балансировка динамическая.
L-А. Pozhidaeva, I.A. Solodikov, А-V. Kostenko
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: andr13kost@list.ru
ON THE QUESTION OF CREATING AN INTELLIGENT SYSTEM FOR MONITORING THE DYNAMIC CHARACTERISTICS OF THE SHIP SHAFTING
The paper analyzes the conditions and modes of operation of ship shafting, substantiates the need to develop an intelligent system for monitoring the dynamic characteristics of ship shafting.
Key words: ship shafting, operational loads, operating modes, torsional vibrations, resonance, dynamic balancing.
Судовая энергетическая установка (СЭУ) представляет собой сложный комплекс, обеспечивающий получение в необходимом количестве механической, электрической и тепловой энергии и оказывающий существенное влияние на технико-эксплуатационные и экономические показатели судов. СЭУ включает в себя главное или пропульсивное устройство, энергия которого приводит в работу движитель, и вспомогательные установки, энергия которых используется для механизмов и агрегатов, обеспечивающих нормальную работу пропульсивного устройства (ПУ), а также для обслуживания потребителей, состав которых определяется назначением судна.
Одним из главных элементов СЭУ является валопровод, отвечающий за передачу крутящего момента двигателя гребному винту и развиваемого винтом упора корпусу судна.
Очевидно, что надежность валопровода существенно влияет не только на надежность СЭУ, но и судна в целом. Потеря работоспособности валопровода повлияет отрицательно на ходовые качества судна и может привести к потере хода судна. При этом восстановление работоспособности валопровода связано с простоями судна, а значит с убытками, если речь идет о рыболовном судне. Кроме этого, процесс ремонта достаточно сложен, особенно для крупнотоннажных судов.
Поэтому решение проблем, связанных с диагностикой, ремонтом, монтажом и проектированием валопроводов, является актуальной задачей.
Решение этих проблем зависит от учета нагрузок, действующих на валопровод при эксплуатации.
Цель статьи - выполнить анализ условий и режимов эксплуатации судовых валопроводов, обосновать необходимость разработки интеллектуальной системы контроля динамических характеристик валопровода гребного винта.
Валопровод работает под воздействием различных нагрузок:
- крутящего момента, изгибающих сил, вибраций;
- крутильных, продольных, поперечных и осевых колебаний.
Особенности путей решения указанных проблем зависят от конструктивных особенностей валопроводов, которые, в зависимости от конструкции двигателей и их компоновки, могут быть одновальными и многовальными.
В целом валопровод представляет собой систему валов, соединенных в одну линию. В состав входят гребной вал, соединенный с гребным движителем (гребным винтом), упорный вал, через который осевое усилие передается на корпус судна, промежуточные валы и подшипники. В таблице приведены описание нагрузок на валопровод и их характеристики [1].
Нагрузки на валопровод
Нагрузка Природа возникновения Краткая характеристика
Нагрузки изгибные - неровная укладка вала; - деформация корпуса судна из-за загрузки, - деформация корпуса судна из-за действия волн; - дополнительная деформация вследствие аварийного повреждения корпуса - знакопеременный характер (за один оборот) и вызывают знакопеременные напряжения; - значительные изгибы валопровода приводят к неравномерной нагрузке и перегреву опорных подшипников
Кручение Передача крутящего момента к гребному винту Самая большая составляющая в напряжении - около 50% от всех видов напряжений
Колебания крутильные Действие периодических сил из-за работы коленчатого вала и винта, что ведет к закручиванию и раскручиванию участков валопровода Напряжения характеризуются циклическим действием
Колебания продольные Причиной являются знакопеременные силы работы коленчатого вала и винта Вызваны продольными составляющими сил, вызывают циклические напряжения
Колебания поперечные - небаланс из-за погрешностей механической обработки, неоднородности материала и т. д.; - нарушение баланса при установке оборудования или при демонтаже деталей; - неравномерное поле скоростей потока в районе винта Особо опасна критическая частота вращения, приводящая к биению вала
Отдельно обязательно следует рассматривать явление резонанса из-за крутильных и продольных колебаний.
Крутильные колебания оказывают значительное влияние на надежность и работоспособность элементов валопровода, и поэтому исследование таких колебаний является также научной прикладной задачей, важность решения которой подтверждается Регистром. В частности в 8 разделе части VII «Правила классификации и постройки морских судов» изложены требования к расчету крутильных колебаний [2].
Особенность появления крутильных колебаний связана с тем, что они неизбежно появляются при эксплуатации валопровода вследствие работы ПУ и будут иметь место даже при идеальной балансировке валов и элементов валопровода и при идеальном их монтаже, поскольку связаны с особенностями организации рабочего цикла ПУ.
Наиболее опасным явлением при вынужденных колебаниях является высокая вероятность возникновения резонанса - когда вынужденные колебания совпадают со свободными колебаниями системы. При этом необходимо знать частоту вращения вала, при которой резонанс возникает - резонансную частоту вращения - чтобы при эксплуатации избегать работы валопровода на резонансных частотах.
Эксплуатационные нагрузки на валопровод зависят от режимов и условий его работы. Режим работы валопровода определяется режимами работы ПУ и гребного винта. На рисунке представлены режимы работы СЭУ на примере судового дизельного двигателя.
Гребной винт работает при таких режимах: швартовный режим, основной режим переднего хода, режим нулевого упора, режим нулевого момента. На каждом режиме действуют специфичные нагрузки, также влияющие на работу валопровода.
Режимы работы судового дизельного двигателя
Расчет крутильных колебаний предполагает сравнение расчетных значений амплитуд, моментов и напряжений с допускаемыми значениями. Напряжения, которые возникают в материале валопровода можно разложить на две составляющие:
- статическая- создается передаваемым средним крутящим моментом;
- динамическая - определяется переменной частью крутящего момента.
Возникающие крутильные колебания накладываются на статическую составляющую. Поэтому для случая крутильных колебаний, особенно при резонансах, достаточно нормировать только динамическую часть напряжений, а учет среднего момента производится по заданному коэффициенту.
Таким образом, статическая нагрузка на валопровод соответствует среднему крутящему моменту и создается на установившихся режимах работы. А динамическая нагрузка создается на неустановившихся режимах или аварийных. Сложность учета динамических нагрузок связана с множеством фактором, которые нужно учитывать, и необходимостью создания математической модели, которая позволила бы проводить анализ работы валопровода на всех возможных режимах работы с учетом действия разных факторов.
Исследование динамики крутильных колебаний валопроводов предполагает использование математических моделей, которые с обоснованными упрощениями позволяют заменить реальную схему валопровода на расчетную. Например, модель с распределенными и сосредоточенными массами [3, 4]. В этом случае динамическая задача сводится к решению дифференциального уравнения второго - четвертого порядка в частных производных, для решения которого используют точные и приближенные методы расчета.
Помимо вышеизложенного необходимо добавить, что при износе в процессе эксплуатации, а также после выполнения ремонтных работ требуется статическая и динамическая балансировка гребного винта. Данная операция является трудоемкой и требующей специального дорогостоящего оборудования, что предопределяет проблему динамической балансировки в условиях судоремонтных предприятий. Например, на судоремонтных предприятиях Камчатского края отсутствуют стенды для динамической балансировки, и разработка системы контроля динамических характеристик валопровода и гребных винтов, включающей соответствующее оборудование и методику балансировки винтов на основе активного мониторинга амплитудно-частотных характеристик валопровода, позволит выполнять балансировочные работы в собранном состоянии дейдвудного устройства без специального оборудования, используемого в судостроении.
Валопровод является одним из особенно ответственных узлов судна, подвергающегося среди прочего негативным воздействиям крутильных колебаний, в том числе резонансных явлений. На основе полученных при моделировании работы валопровода результатов и с учетом проведения экспериментальных измерений есть возможность разработки интеллектуальной системы контроля динамических характеристик валопровода, которую возможно будет использовать для балансировки валов в условиях судоремонтных заводов.
Литература
1. Судновий мехашк: Довщник / Авт. кол.: За ред. А.А. Фока, д.т.н., суд. ст. механика. -У 3-х т. - Т. 1. - Одеса: Фешкс, 2008. - 1036 с. (рос. мовою).
2. Правила классификации и постройки морских судов. Часть VII. Механические установки. НД № 2-020101-152. - Санкт-Петербург: Российский морской регистр судоходства, 2022. -119 с.
3. Царенко С.Н., Молчан А.А., Мхоян А.А. Динамика валопровода гребного винта при линейном режиме разгона // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы Четвертой междунар. науч.-техн. конф. (25-26 ноября 2021 г.) / Отв. за вып. О.А. Белов. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2022. - С. 122-126.
4. Царенко С.Н., Улитин Г.М., Труднее С.Ю. Динамика валопровода гребного винта при импульсном воздействии // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. - 2022. - Т. 14, № 5. - С. 748-758. 001: 10.21821/2309-51802022-14-5-748-758.
