CC BY
304
УДК 629.12.037.4
А. И. Миронов, Н. Н. Кондратьев, С. А. Батурин
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОВКИ ВАЛОПРОВОДОВ СУДОВ
Надежность валопровода часто определяет периодичность доковых ремонтов судна, их продолжительность и трудоемкость.
Для повышения показателей прочности валов, составляющих валопровод, обеспечения требуемой работоспособности их подшипников, соблюдения ограничений по раскепу коленвала главного двигателя выполняется так называемая «центровка валопровода».
Основной задачей «центровки» является достижение необходимого положения валопровода в корпусе судна относительно дейдвудного устройства и главного двигателя [1] с целью надежного обеспечения допускаемых нагрузок на подшипники, напряжений в сечениях валов и раскепов коленвала двигателя.
В мировой практике применяются разборные и безразборные способы центровки:
- при помощи струны;
- при помощи светового или лазерного луча;
- с использованием оптики;
- «по нагрузкам», путем контроля нагрузок на подшипниках с помощью динамометров;
- путем контроля высотного положения опор валопровода;
- по изломам и смещениям на соединениях валов.
Центровка при помощи струны, светового или лазерного луча, с использованием оптики или путем контроля высотного положения опор валопровода используется при строительстве судов.
Центровка по изломам и смещениям допускается при прогибах концов свободных валов не более 0,3 мм. Однако некоторые методики необоснованно допускают этот способ центровки при больших величинах прогибов концов валов, что часто приводит к большим технологическим трудностям и повышенному уровню вибрации валопроводов в эксплуатации.
Таким образом, центровка «по нагрузкам» является наиболее приемлемой, т. к. позволяет непосредственно фиксировать реакции опор, обеспечивающие работоспособность подшипников, допустимые изгибающие моменты в сечениях валов и раскеп коленчатого вала.
В методике центровки можно выделить два этапа [2, 3] независимо от способа центровки:
а) вычисление параметров центровки;
б) выполнение непосредственно технологических операций по практическому обеспечению рассчитанных параметров центровки на самом валопроводе.
Не рассматривая технологию выполнения центровки, остановимся на ее расчетной части.
На практике центровку ведут с проведением необходимых расчетов параметров центровки до монтажа и по ходу монтажа.
Некоторые методики предусматривают включение в расчет параметров центровки весов элементов коленчатого вала двигателя и перераспределение весовых нагрузок с опор коленчатого вала на опоры валопровода. В таком случае при центровке происходит нарушение построечных раскепов коленчатых валов и, как следствие, нарушение их укладки. Это приводит к существенному снижению эксплуатационной надежности двигателей.
Отсюда становится ясно, что подходы к решению задач центровки, изложенные в некоторых методиках, являются несовершенными и их применение нежелательно.
С другой стороны, применяемые методы расчета часто неоправданно усложнены, при этом повышение точности расчетов не достигается.
В настоящее время расчетная схема валопровода представляет собой многоопорную статически неопределимую балку ступенчато-переменного сечения, нагруженную собственным весом валов и весом маховика главного двигателя.
Определение реакций опор и изгибающих моментов в сечениях валов, составляющих ва-лопровод, является весьма громоздким, т. к. помимо уравнений равновесия необходимо использовать условия совместности деформаций и перемещений. Использование ЭВМ частично решило эту проблему. Однако применение ЭВМ предполагает наличие специальных программ и подготовленных пользователей, что приводит к дополнительным затратам.
Использование ЭВМ часто не позволяет достичь желаемой точности расчетов. Дело в том, что при раскрытии статической неопределимости используются приближенные соотношения из курса «Сопротивление материалов» между напряжениями и деформациями, которые, согласно принципу Сен-Венана, справедливы только при достаточном удалении от концентраторов напряжений (например, от района изменения диаметров сечений валов) и сечений, где приложены сосредоточенные силы. Кроме того, для относительно коротких участков валов кольцевого сечения может оказаться существенным влияние сдвигов на прогибы.
Предлагаемая ниже методика позволяет исключить из расчета использование соотношений между нагрузками и перемещениями, что в конечном счете существенно сокращает объем вычислений и в то же время повышает точность определения реакций опор и изгибающих моментов в сечениях валопровода.
Применение методики рассмотрим на примере вычисления параметров центровки валопровода, изображенного на рисунке. Данные для расчета [4] приведены в табл. 1.
I?:
У
шшщпш
МгЭн
29,3
Ж
3,85 0,748
51,1
Иллюстрация к методике расчета: а - расчетная схема валопровода; б - эпюра изгибающих моментов Мх в кН-м от внешних нагрузок на пролетах; в - распределение изгибающих моментов Мх в кН-м по длине валопровода по предлагаемой методике; г - распределение Мх в кН-м по длине валопровода по методике из [4]
а
Таблица 1
Параметры рассматриваемого валопровода
№ участка валопровода Диаметр вала по облицовке, м Наружный диаметр вала, м Внутренний диаметр вала, м Длина участка вала, м Интенсивность нагрузки, кН/м
1 2 3 0,335 0,28 0,28 0,28 0,17 0,17 0,17 0,49 0,12 0,43 4.65 4.65 6,98
4 0,335 0,28 0,17 1,00 6,98
5 - 0,28 0,17 1,20 4,65
6 0,335 0,28 0,17 0,36 6,98
7 0,335 0,28 0,17 0,36 6,98
8 - 0,28 0,17 1,54 4,65
9 - 0,28 0,17 0,90 4,65
10 - 0,28 0,17 0,88 4,65
11 - 0,55 0,317 0,32 12,38
12 - 0,80 0,568 0,64 19,41
13 - 0,42 0,25 0,16 6,97
14 - 0,37 0,225 0,28 5,28
15 - 0,475 0,294 0,58 8,53
16 - 0,35 0,220 0,14 4,53
17 - 0,27 - 2,10 4,48
18 - 0,27 - 3,40 4,48
19 - 0,27 - 2,80 4,48
20 21 - 0,27 0,27 - 2,70 2,80 4.48 4.48
22 23 - 0,27 0,275 - 2,70 0,56 4.48 4.48
24 25 - 0,275 0,275 - 0,34 0,45 4.65 4.65
Порядок выполнения расчетов
Система является статически неопределимой, поэтому строим эквивалентную систему, для чего в сечениях над опорами «врезаем» шарниры.
Строим эпюры изгибающих моментов по пролетам только от заданных нагрузок с целью предварительного определения изгибающих моментов в сечениях валопровода.
При раскрытии статической неопределимости моменты в сечениях над опорами определяются из условий совместности перемещений на опорах, что при переменных размерах сечений валов в пролетах приводит обычно к весьма громоздким вычислениям даже в случае использования приближенных соотношений из курса «Сопротивление материалов» между внешними нагрузками и перемещениями сечений балки. В результате устанавливаются зависимости между реакциями опор, изгибающими моментами в сечениях валов над опорами и смещениями опор. Если не использовать методики центровки, связанные с необходимостью измерения смещений подшипников, то эти соотношения вообще-то и не нужны. При центровке «по нагрузкам» обеспечиваются значения реакций в заданных пределах и, следовательно, достаточно определить эти пределы.
В связи с этим на данном этапе расчета не вычисляем моменты в сечениях над опорами в результате раскрытия статической неопределимости, а назначаем сами, например, из условия приблизительного равенства максимального значения изгибающего момента в пролете и изгибающего момента над одной из опор соответствующего пролета.
Вычисляем реакции опор, которые не должны выходить за пределы допускаемого интервала. Если ограничения по реакциям нарушаются, то корректируем их, соответственно изменяя назначенные моменты на опорах.
Строим окончательную эпюру изгибающих моментов.
При необходимости можно вычислить и смещения подшипников до или после «центровки», т. к. после определения реакций опор никаких сложностей по определению перемещений сечений валопровода не возникает.
С целью оценки предлагаемой методики на рисунке также представлена эпюра изгибающих моментов, рассчитанных по методике из [4]. Сравнение результатов показывает, что они достаточно близки между собой. Однако выполнение расчетов по методике [4] требует использования весьма громоздкой программы для ЭВМ и специально подготовленных пользователей.
Следует отметить, что в отличие от методик расчета, изложенных в других работах, например [4, 5], предлагаемая нами методика не дает оптимального распределения изгибающих моментов по длине валопровода.
А нужна ли вообще оптимизация распределения изгибающих моментов по длине валопровода? Дает ли она существенное повышение прочности валов в эксплуатации?
Для ответа на поставленные вопросы отметим следующее.
1. Реакции, определенные расчетом, имеют лишь номинальное значение. Реально их значения будут отличаться от оптимальных в пределах допуска. Следовательно, и распределение изгибающих моментов по длине валопровода не будет оптимальным.
2. Наибольшие нормальные напряжения в сечениях валов возникают в районе кормового дейдвудного подшипника. Здесь же имеет место наибольшая концентрация напряжений. В сечениях промежуточных валов напряжения много меньше. Оптимизация распределения напряжений на промежуточных валах не может изменить величину напряжений в сечениях гребного вала над кормовым дейдвудным подшипником, т. к. они зависят лишь от длины консоли гребного вала и действующих на нее нагрузок.
3. Валопровод нагружен не только поперечными нагрузками, но и продольной силой от упора, создаваемого винтом, и крутящим моментом, т. е. валопровод испытывает в действительности продольно-поперечный изгиб с кручением. Оценить влияние продольной силы и крутящего момента на прочность валов можно по данным табл. 2 [5, с. 108].
Таблица 2
Параметры статической прочности валопровода БМРТ пр. 1288 типа «Пулковский меридиан»
(а, т - нормальные и касательные напряжения соответственно)
Параметр состояния Значения параметров на опорах валопровода
1 2 3 4 5 6
о от изгиба, МПа -8,96 -2,29 -1,05 -2,32 -1,96 -4,73
о от гидродинамических нагрузок, МПа -2,44 0,756 -0,004 - - -
о от упора, МПа -3,96 -4,08 -3,78 -3,04 -5,70 -5,70
х от крутящего момента, МПа 8,88 8,97 9,48 9,10 23,3 23,3
Эквивалентные напряжения оэкв, МПа 21,9 16,6 17,1 16,7 41,0 41,6
Запасы по статической прочности 13,7 18,1 17,5 18,0 7,3 7,2
Анализ данных в табл. 2 позволяет сделать следующие выводы:
- как отмечалось выше, наибольшие нормальные напряжения от изгиба возникают на кормовом дейдвудном подшипнике;
- влияние гидродинамических нагрузок при нормальной эксплуатации без ударов дальше третьего от кормы подшипника не распространяется;
- нормальные напряжения от упора соизмеримы по величине с нормальными напряжениями от изгиба;
- касательные напряжения от крутящего момента весьма существенно влияют на статическую прочность валопровода;
- уменьшение нормальных напряжений от изгиба в сечениях промежуточных валов практически не влияет на повышение их статической прочности.
Вывод о существенном влиянии на прочность валопровода крутящего момента подтверждается характером разрушений гребных и промежуточных валов [6].
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Комаров В. В. Влияние жесткости валов в пролетах на расчетные параметры изгиба валопроводов при центровке II Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 1993. - С. 179-181.
2. РД5.4307-79. Валопроводы судовые. Правила и нормы проектирования. - Л.: МСП, 1979. - 146 с.
3. РД 5.4368-81. Валопроводы судовые движительных установок. Монтаж. Технические требования. Правила приемки и методы контроля. - Л.: МСП, 1981. - 144 с.
4. Гаращенко П. А., Вязовой Ю. А. Упругие компенсационные опоры судовых валопроводов. Расчет основных параметров центровки валопровода. РТМ 11000-060-257 I МРХ. Кн. 1. - М., 1993. - 94 с.
5. Комаров В. В., Курылев А. С. Валопроводы рыбопромысловых судов. Конструкция, эксплуатация и общие вопросы проектирования. Ч. 1. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 1997. - 166 с.
6. Кондратьев Н. Н. Характерное расположение трещин и изломов на валах и баллерах II Вестн. Астра-хан. гос. техн. ун-та. - 2004. - № 1 (20). - С. 119-121.
Статья поступила в редакцию 15.12.2008
THE METHOD OF DEFINITION OF PARAMETERS OF THE SHAFTING SHIPS CENTERING
A. I. Mironov, N. N. Kondratjev,
S. A. Baturin
The suggested method is easier than the known ones. It allows to reduce considerably labour input and calculation time; it does not demand the application of the computer and the prepared calculators.
Key words: shafting ships, centering, calculation.
