CC BY
69
УДК 629.12.037.4.004.6 ББК 39.455.86-045-082.04
А. Ю. Кукарина, А. И. Миронов
О ВЛИЯНИИ ИЗНОСОВ ПОДШИПНИКОВ НА ПРОЧНОСТЬ ВАЛОВ ВАЛОПРОВОДОВ СУДОВ
A. Yu. Kukarina, A. I. Mironov
ON EFFECT OF BEARING WEAR ON STRENGTH OF SHAFTS OF SHIP SHAFTING
Анализируется влияние смещений опор при износе подшипников валопровода судов на прочность валов. Рассматриваются различные расчетные схемы. Установлено, что при статическом нагружении износ подшипников незначительно влияет на прочность валов валопроводов судов.
Ключевые слова: износ, подшипник, прочность, валопровод, судно.
The influence of the displacements of supports at wearing of bearing of ship shafting on the strength of shafts is analyzed. The different calculation schemes are considered. It has been stated that under static loading bearing wear has little effect on the strength of shafts of ship shafting.
Key words: wear, bearing, strength, shafting, ship.
Валопровод судна предназначен для передачи крутящего момента от двигателя к гребному винту с целью создания на вращающемся винте упора, что обеспечивает тем самым движение судна. Любой «отказ» в работе валопровода чреват серьезными последствиями, вплоть до гибели судна.
В связи с этим обеспечению надежной работы валопровода посвящено большое количество исследований, в том числе и диссертационных.
Дело в том, что простота конструкции валопровода является только кажущейся. Переменные диаметры валов, всевозможные галтели, фланцы, длинные дейдвудные подшипники и т. д. делают традиционные допущения при расчете стержней неприемлемыми. Кроме того, валопровод подвергается воздействию сложной системы нагрузок - как статических, так и динамических.
Вследствие вышеперечисленных причин многие вопросы, возникающие при исследовании работы валопровода, до настоящего времени не имеют однозначного ответа.
Один из таких вопросов - влияние износов подшипников на напряженное состояние валов валопровода: насколько существенно влияет на прочность валов износ дейдвудных подшипников. Проблема влияния износа подшипников особенно обострилась после установки по требованиям экологии в дейдвудных подшипниках вкладышей из экологически чистых материалов (капролон, древесно-слоистые пластики и др.), вследствие чего износы вкладышей существенно возросли. Результаты исследования влияния износов на прочность валов по различным расчетным схемам получаются разными: по одним расчетным схемам - износ влияет сильно, по другим - мало. При этом речь идет только о статическом нагружении! При поперечных колебаниях вала, вследствие отрыва вала от дейдвудных подшипников, величина износа, конечно, влияет на характер колебаний.
Наиболее распространенная расчетная схема валопровода представляет валопровод как стержень ступенчато-постоянного круглого сечения, опирающийся на шарнирные опоры и нагруженный сосредоточенными и распределенными нагрузками (на рис. 1, а нагрузки не показаны).
Реакции опор Ri и изгибающие моменты в сечениях над опорами Mj можно представить в следующем виде:
R1 = ai1f1 + ai2f2 + ■■■ + aikfk + ■■■ + ainfn + R1F
R2 = a21f1 + a22f2 + ■■ + a2kfk + ■■■ + a2nfn + R2
R = a 1 f + a 2 f2 + ■■■ + a f + ■■■ + a f + R
n n1J 1 n2J 2 nkJ k nnJ n n
Rl
R2
Rк
А--
fk
Яп
"т_
ЙЙШ
ЗЯк ^Ян Як
<ТП
ЁШШ1 Ш^1
ЇШЙ
"ЗГ-
ш
Яп
8ЇШ
Рис. 1. Расчетные схемы вала валопровода: а - на «точечных» опорах;
£ - смещения опор вследствие износа вкладышей подшипников, общего изгиба судна и др.; б - дейдвудные подшипники моделируются упругим основанием; дЯк и дЯн - соответственно интенсивность реакций на кормовом и носовом дейдвудных подшипниках
М2 = Ь £ + Ь £ +... + Ь2,£. + ...Ь2 £ + М ,
2 21^1 22^2 2ки к 2пи п 2р ’
М3 = Ь £ + Ь £ +... + Ь £к + ...Ь3 f + М ,
3 Ъ11 32^ 2 3к^ к 3п^ п Ър ’
М 1 = Ь £ + Ь £ +... + Ь £ + ...Ь 1 £ + М 1Р .
п-1 п-11^1 п-12^2 п-1к^ к п-1п^ п п-1г
(2)
При этом изгибающий момент в сечении вала над 1-й опорой Мх не зависит от величин изно-сов опор /, т. к. определяется только величиной нагрузок, действующих на консоль гребного вала; Мп = 0 - шарнирная опора. Коэффициенты влияния ау, Ьк]- и грузовые коэффициенты Я;#, МкР (у = 1,
2, ..., п; ] = 1, 2, ..., п; к = 2, 3, ..., п - 1) определяются методами строительной механики.
При монтаже валопровода проводят его «центровку», обеспечивая условия
Я
£ Я £ Я
(3)
1
2
б
і Ш1П
і т ах
с < [с],
где Ят1П, Ятах - соответственно минимально и максимально допускаемые значения реакций Яу; с - напряжения в сечениях валов валопровода; [с] - допускаемое напряжение для материала валов.
В результате износа опор реакции опор и изгибающие моменты в сечениях вала над опорами изменяются. Используя выражения (1) и (2), строят номограммы допускаемых износов, обеспечивающих изменения реакций ДЯ и изгибающих моментов ДМ в допускаемых интервалах, определяемых выражениями (3) [1] (рис. 2). По этим номограммам и оценивается межремонтный период эксплуатации судна.
Использование таких номограмм имеет ряд недостатков:
1. Длинные дейдвудные подшипники заменяются фиктивными (реально не существующими) «точечными» шарнирными опорами, положение которых назначается весьма приближенно и в процессе изнашивания принимается стационарным.
Однако в процессе изнашивания подшипников распределение давления на них со стороны вала выравнивается, вследствие чего равнодействующая сил давления и, как следствие, шарнирная опора перемещаются ближе к середине подшипника.
2. Учитываются только износы кормового/ и носового/ дейдвудных подшипников. Из-носы остальных подшипников не учитываются (см. (1) и (2)).
3. Соотношение между износами кормового и носового дейдвудных подшипников для конкретного судна неизвестно (вообще не ясно, износы каких сечений длинных дейдвудных подшипников принимать за величины / и /).
Именно поэтому точность номограмм допускаемых расцентровок (рис. 2) при оценке работоспособности валопровода весьма низка и делать по ним вывод о наступлении предельного состояния будет вряд ли верным! Они могут служить лишь для качественной оценки различных конструкций валопровода, например установки упругих муфт, упругих элементов в подшипниках и т. д.
Рис. 2. Номограмма допускаемых изпосов трущихся подшипниковых пар дейдвудного устройства [1]: f» f - износы соответствеппо кормового и носового дейдвудных подшипников
Вернемся к рис. І.
Повернем начальную систему координат xf на некоторый угол a (рис. З). Так как угол a мал (имеет порядок 10_З), то cos a @ 1. Поэтому коэффициенты aij, bkj, RiF и MkF в выражениях (1) и (2) не изменяются, т. е. при определении Ri и Mj вместо абсолютных смещений f можно использовать смещения относительно любой линии, повернутой на малый угол a по отношению к первоначальной оси вала (рис. З).
х
Рис. 3. Переход от действительных смещений/к относительным /
Из рис. 3 видно, что смещения опор вследствие их износа меньше влияют на прочность вала, чем принято считать (величины /0 меньше /).
С другой стороны, известно, что кривизна упругой линии и изгибающий момент в сечении Мх связаны:
1 = Ml р ei;
где р - радиус кривизны изогнутой оси вала; EIx - жесткость сечения вала при изгибе.
Уменьшая кривизну упругой линии, можно уменьшить изменение изгибающего момента в сечении, т. е. уменьшить влияние износов на прочность вала.
Этого можно достичь, увеличивая смещения внедейдвудных подшипников!
Примером может служить попытка установки упругих элементов на первой внедейдвуд-ной опоре [2]. Правда, авторы [2] при этом исходили из другой предпосылки.
Но, как отмечалось выше, замена длинных дейдвудных подшипников в расчетной схеме валопровода (например, длина кормового дейдвудного подшипника атомного ледокола «Ямал» равна 3,2 м [3]) на «точечные» шарнирные опоры вряд ли может считаться достаточно обоснованной, особенно при исследовании прочности гребного вала.
В связи с этим предпочтительнее, на наш взгляд, использовать расчетную схему, представляющую дейдвудные подшипники в виде упругого основания одностороннего действия (рис. 1, б).
Нами было проведено моделирование процесса изнашивания длинных дейдвудных подшипников [4], результаты которого подтвердили относительно малое влияние износов этих подшипников на напряженное состояние валопровода. Кроме того, было установлено, что вследствие износа вкладышей максимальное давление на них со стороны вала существенно уменьшается, что способствует улучшению условий их работы; равнодействующая сил давления на кормовой дейдвудный подшипник перемещается к середине подшипника. Таким образом, результаты моделирования соответствуют 1-му закону термодинамики: изолированная механическая система стремится занять положение, соответствующее минимуму потенциальной энергии. Иными словами, изнашивание подшипников происходит таким образом, что дополнительный изгиб приводит к «выравниванию» балки, т. е. повышению ее работоспособности.
Выводы
1. Износы дейдвудных подшипников реально не столь существенно влияют на снижение прочности вала, как обычно считается.
2. Уменьшения влияния износов дейдвудных подшипников на прочность вала можно достичь, увеличивая смещения на внедейдвудных опорах (например, увеличивая износы внедейд-вудных подшипников, устанавливая на них упругие элементы и. т. д.).
Еще раз подчеркнем, что вывод о меньшем влиянии износов дейдвудных подшипников на прочность вала, чем принято считать, относится к статическому нагружению. Для окончательного вывода о степени влияния износов дейдвудных подшипников на работоспособность вало-провода необходимо произвести динамический анализ работы вала с учетом его взаимодействия с длинными упругими дейдвудными подшипниками.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комаров В. В., Курылев А. С. Валопроводы рыбопромысловых судов. Ч. 1. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 1997. - 166 с.
2. Вязовой Ю. А. Влияние упругой опоры на гибкость гребного вала // Судоремонт флота рыбной промышленности. - 1979. - № 40. - C. 41-43.
3. Григорьев А. К. Опыт эксплуатации дейдвудных подшипников с капролоновыми планками на атомном ледоколе «Ямал» в 1999-2009 гг. // Судостроение. - 2011. - № 5. - C. 52-53.
4. Миронов А. И. Влияние изнашивания дейдвудных подшипников на параметры центровки вало-проводов судов // Тр. VIII Междунар. науч. конф. «Наука, экология, экономика, образование» серии «Нелинейный мир», Астрахань, 15-20 сент. 2003 г. - Астрахань: ИПЦ «Факел», 2004. - С. 194-198.
REFERENCES
1. Komarov V. V., Kurylev A. S. Valoprovody rybopromyslovykh sudov [Shafting of fishing vessels]. Ch. 1. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 1997. 166 p.
2. Viazovoi Iu. A. Vliianie uprugoi opory na gibkost' grebnogo vala [Influence of tough support on the elasticity of propeller shaft]. Sudoremontflota rybnoipromyshlennosti, 1979, no. 40, pp. 41-43.
3. Grigor'ev A. K. Opyt ekspluatatsii deidvudnykh podshipnikov s kaprolonovymi plankami na atomnom ledokole «Iamal» v 1999-2009 gg. [Exploitation of stern bearings with caprolan crossbar on nuclear icebreaker "Yamal" in 1999-2009]. Sudostroenie, 2011, no. 5, pp. 52-53.
4. Mironov A. I. Vliianie iznashivaniia deidvudnykh podshipnikov na parametry tsentrovki valoprovodov sudov [Influence of wearing of stern bearings on the parameters of ship shafting alignment]. Trudy VIIIMezhdu-narodnoi nauchnoi konferentsii «Nauka, ekologiia, ekonomika, obrazovanie» serii «Nelineinyi mir», Astrakhan’, 15-20 sentiabria 2003 g. [Proc. VIII Int. sci. conf. "Science, ecology, economics, education" Series "Nonlinear world", Astrakhan, 15-20 September 2003]. Astrakhan, IPTs "Fakel", 2004, pp. 194-198.
Статья поступила в редакцию 21.11.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Кукарина Алла Юрьевна - Астраханский государственный технический университет, ассистент кафедры «Теоретическая и прикладная механика»; kukarina@rambler.ru.
Kukarina Alla Yurievna - Astrakhan State Technical University; Assistant of the Department "Theoretical and Applied Mechanics"; kukarina@rambler.ru.
Миронов Альфред Иванович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика»; sopromat112@mail.ru.
Mironov Alfred Ivanovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department 'Theoretical and Applied Mechanics"; sopro-mat112@mail.ru.
