CC BY
72
УДК 629.12.037.4:620.178.3
Доан Ван Тинь
О ПОВЫШЕНИИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СУДОВЫХ ВАЛОВ С ТРЕЩИНАМИ
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 [1]. Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях и затем развивается в глубь детали, образуя острый надрез.
За последние пять лет на танкерах «Волгонефть» и «Нефтерудовоз» сломалось из-за трещин и было заменено более 120 гребных и промежуточных валов. Только на 2000 г. таких замен было около 50. При этом ломаются и заменяются из-за трещин главным образом гребные валы.
Трещины возникают обычно на валах в местах посадки облицовок на вал, а также на конусе гребного вала, в основе у шпоночных пазов.
При освидетельствовании Морским регистром судоходства, при ремонте судовых валов и в других случаях обнаружения трещин возникает необходимость прогнозировать долговечность судовых валов с трещинами и оценивать работоспособность судовых валов до разрушения.
В литературе необходимые сведения для судовых валов отсутствуют, в связи с чем проблема прогнозирования долговечности судовых валов с трещинами является актуальной.
При наличии трещин на судовых валах стоит задача повышения их долговечности. Одним из вариантов повышения долговечности судовых валов с трещинами является эксплуатация СЭУ на долевых режимах.
Расчет на усталостную прочность судовых валов ведется по наибольшей длительно действующей нагрузке в число которых: крутящий момент, передаваемый от главного двигателя; сила тяжести гребного винта 0гр.в, Н; постоянные составляющие гидродинамического момента, Н • м: в вертикальной плоскости - Мов; в горизонтальной плоскости - Мог; переменные составляющие гидродинамического момента, Н • м: в вертикальной плоскости - ДМв; в горизонтальной плоскости - ДМг.
Гребной вал воспринимает также нагрузки от влияния крутильных колебаний в системе главный двигатель-валопровод.
Развитие усталостной трещины зависит от комплекса условий (материал, среда, режим нагружения). Поэтому скорость роста усталостной трещины определяют различными способами. В общем случае скорость роста трещины определяется по формуле
Л/ А/ ,1Ч
V =---=-----. (1)
ЛЫ АЫ
П. Пэрис и Ф. Эрдоган прирост длины трещины за цикл выразили зависимостью
— = С (АК )п, (2)
где С и п - постоянные величины материала.
Значения п обычно находятся в пределах 2 < п < 6, хотя известны и значительные отклонения. При эксперименте значение п определяется по рис. 1 и равно п = tg 0.
Величина С определяется по формуле [3]:
С = 5,48 10-5.—1—. (3)
577,8п
АК - размах коэффициента интенсивности напряжений (КИН). АК = Ктах — Кт;п .
Согласно модели Д. Ирвина, К является функцией напряжения и длины трещины:
К = у-сэл/р-а , (4)
где 0э - эквивалентное напряжение в сечении брутто, МПа; у - функция, учитывающая геомет-
рию трещины и схему нагружения; а - полудлина трещины, мм; I - длина трещины, мм.
Рис. 1. Образцы для испытаний
Коэффициент интенсивности напряжений для данного вида образцов (рис. 1) определяется по формуле
г 32 •р •1 м
К =---------у- •М
%•
(5)
где Р - нагрузка на образец; Ь - расстояние от точки приложения нагрузки до опасного сечения; Б - диаметр опасного сечения; М - параметр, определяемый по формуле
V 1/
М = [(0,4 -1 + 2,61 -I2) + (0,0096 • 1 + 0,0056 • I2/3 ]/2 . X - геометрический параметр
I
1 = -
р-Б
Из формул (4) и (5) получим формулу для определения функции у:
У-
2 • Б
р-1
• М .
(6)
(7)
(6)
На основе результатов экспериментальных исследований, проведенных Т. А. Кужахме-товым, построена диаграмма усталостного разрушения (рис. 2).
Расчет параметров диаграммы производился в программе ЕХБЬ. В результате расчета
получены значения и ^К1, на основе которых построен средний участок диаграммы
аЫ
усталостного разрушения моделей судовых валов (рис. 2).
1в
аы
Рис. 2. Диаграмма усталостного разрушения экспериментальных образцов
Построенный участок кривой усталостного разрушения позволяет определить основные
характеристики уравнения Пэриса (2). Среднее значение коэффициента п определяется
по диаграмме на рис. 2 на основе испытаний 20 образцов и составляет 4.
Из формулы (2) скорость роста трещин может быть представлена в виде
— = /(АК). (7)
Отсюда получим число циклов (долговечность):
N =[Ц-------т, (8)
{/ (АК )’
го
где /0 - начальный размер трещины, /к - конечный размер трещины.
Из формул (2), (4), (7) и (8) долговечность определяется как
1к а,
Ы--
10 0 Проинтегрировав выражение (9), получим
= г м = г_____________2^а_________________________________________. (9)
^ с(ЛК)п ^ с(уАаэл/Ла)п
4 1 1
N =--------------^-----------------[—V--------V] (1°)
У! / ■- У!—V/ И— // -* ' '
, п—2/ п-2/
(п - 2)сР2упАо’П а0 ^2 ак '2
где Лоэ - размах напряжения, МПа; Аоэ = атах - атіп ; при циклическом нагружении Аоэ = 2аэ ; эквивалентные напряжения оэ в материале гребного вала на кормовой дейдвудной опоре определяются по формуле, приведенной в [3].
Ниже приведен расчет долговечности гребного вала с трещинами танкера дедвейтом
5 °°° т вьетнамской постройки, изготовленного из стали 35, при эксплуатации СЭУ на долевых режимах. Исходные данные для расчета гребного вала: диаметр гребного вала Б = 25° мм; частота вращения гребного винта п = 375 об/мин; число лопастей гребного винта г = 4; мощность главного двигателя 75° кВт [4]. Результат расчета эквивалентных напряжений оэ в материале гребного вала танкера дедвейтом 5 °°° т вьетнамской постройки приведен в табл. 1, результат расчета долговечности гребного вала с трещинами того же танкера, изготовленного из стали 35, при эксплуатации СЭУ на долевых режимах - в табл. 2.
Таблица 1
Долговечность гребного вала с трещинами на долевых режимах
Тип судна Долевой режим, % Г лавный двигатель Диаметр гр. вала С, м Крутящий момент Мкр = 1 000 • Мю, Н • м Эквивалентное напряжение сэ, МПа
Мощность N кВт Частота вращения гр. вала ю, рад.е-1
Танкер дедвейтом 5 °°° т вьетнамской постройки 1°° 75° 39,25 °,25 19 1°8,28 12,44
75 562,5 35,33 °,25 15 923,57 1°,37
5° 375 31,4° °,25 11 942,68 7,77
45 минимальная надежная мощность 337,5 3°,62 °,25 11 °24,°1 7,18
Таблица 2
Долговечность гребного вала с трещинами на долевых режимах
Тип судна Долевой режим, % Начальная полудлина трещины О), мм Конечная полудлина трещины Ок, мм Размах напряжений Доз = 2оэ, МПа Долговечность, цикл. Долговеч- ность, месяц
Танкер дедвейтом 5 000 т вьетнамской постройки 100 0,5 12,5 24,88 37 850 652,50 2,5
75 0,5 12,5 20,73 80 546 188,52 5,32
50 0,5 12,5 15,55 189 556 067,72 12,52
45 минимальная надежная мощность 0,5 12,5 14,35 249 360 098,67 16,47
На основе результатов исследования при наличии трещин на гребных валах можно рекомендовать эксплуатацию СЭУ на долевых режимах. Расчеты показывают: при эксплуатации СЭУ на 75 % мощности долговечность вала с трещинами возрастает с 2,5 месяца до 5,32 месяца, т. е. почти в 2 раза больше номинальной, на 50 % мощности долговечность составляет 12,52 месяца, на 45 % мощности (минимальная надежная мощность) - 16,47 месяца.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Балацкий Л. Т., Бегагоен Т. Н. Эксплуатация и ремонт дейдвудных устройств морских судов. -М.: Транспорт, 1975. - 160 с.
2. Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. - М.: Наука, 1974. - 640 с.
3. Комаров В. В., Курылев А. С. Валопроводы рыбопромысловых судов. Ч. I.: Конструкция, эксплуатация и общие вопросы проектирования. - Астрахань: АГТУ, 1997. - 166 с.
4. Cайm www.vinashin.vn.
Статья поступила в редакцию 25.12.2008
ABOUT INCREASE OF DURABILITY OF SHIP SHAFTS WITH CRACKS
Doan Van Tinh
The technique to calculate durability of ship shafts with cracks on share modes is considered in the paper. The items of information such as growth rate of cracks, and the way to define stress intensity factor for steel "35" are described on the basis of experimental tests of samples. The calculation results of durability of the propeller shaft with cracks of a tanker of five thousand tons displacement of the Vietnamese construction on share modes are shown.
Key words: ship shaft, durability, crack, stress intensity factor, share modes.
