CC BY
7Природные ресурсы, их современное состояние, охрана., промысловое и техническое использование
УДК 629.5.035.5
С.Н. Царенко1, А.В. Костенко1, Б.Н. Безлобенко2
1 Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003;
2 Петропавловск-Камчатский судоремонтный завод, Петропавловск-Камчатский, 683015; e-mail: tzarenko@rambler.ru
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРЕБНЫХ ВИНТОВ
В работе выполнен обзор конструкций приводов гребных винтов, показаны виды и причины повреждений гребных винтов. Указывается, что при исследовании крутильных колебаний валопровод рассматривается как упругий однородный или кусочно-однородный стержень с распределенными и сосредоточенными параметрами. Приведена математическая модель изгибных колебаний с учетом продольных сил.
Ключевые слова: вал гребной, установка энергетическая, устройство дейдвудное, колебания крутильные, валопровод, математическая модель.
S.N. Tsarenko1, ^V. Kostenko1, B.N. Bezlobenko2
1 Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003;
2 Petropavlovsk-Kamchatsky Shipyard, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683015;
e-mail: tzarenkosn@yandex.ru
IMPROVING OF PROPELLER SHAFT OPERATING CHARACTERISTICS
The overview of the propeller shaft drive designs was done. The types and causes of propellers damage are shown. It is indicated that in the study of torsional vibrations the shafting is considered as an elastic homogeneous or piecewise-homogeneous rod with distributed and lumped parameters. A mathematical model of bending vibrations with regard to longitudinal forces is presented.
Key words: propeller shaft, power plant, stern gear, torsional vibrations, shafting, mathematical model.
Развитие рыбодобывающей отрасли России связано с постройкой новых судов, обладающих повышенным тоннажем, что определяет повышенные нагрузки на гребные винты. Для реализации требуемой скорости судна в условиях длительной автономности обеспечение работоспособного технического состояния гребного винта является очень важной задачей. Дейдвудное устройство является одним из самых ответственных элементов судна, поскольку передает крутящий момент к гребному винту.
Наиболее распространены ЭУ с прямой передачей (рис. 1).
Рис. 1. Схема ЭУ с прямой передачей: 1 - гребной винт; 2 -гребной вал; 3 - дейдвудная труба; 4 - промежуточный вал; 5 - опорный подшипник; 6 - упорный подшипник; 7 - главный двигатель.
XII Национальная (всероссийская) научно-практическая конференция
На рис. 2 показана схема дизель-редукторной передачи, которая имеет два главных двигателя, приводящих в движение один винт через соответствующую конструкцию дейдвудного устройства.
12 3 4 5
Рис. 2. Схема дизель-редукторной передачи: 1 - гребной винт; 2 - гребной вал; 3 - редуктор; 4 - муфта; 5 - главный двигатель
При эксплуатации на гребной винт действуют нагрузки, которые зависят от ряда факторов [1]: типа судна и конструкции кормовых образований; длины валопровода от двигателя к винту; конструкции дейдвудного устройства (см. рис. 1 и 2); качества изготовления и текущего состояния гребного винта, его массы; типа главного двигателя, наличия редукторов и муфт; состояния судна; состояния моря.
В таблице приведены виды повреждений гребных винтов и причины повреждений [1, 2].
Виды и причины повреждений гребных винтов
Вид повреждения винта Причины повреждения Примечание
Механические повреждения Удары винтов о твердые предметы При столкновении с небольшим предметом возникают незначительные местные погнутости кромки лопасти и вмятин. При столкновении с крупным предметом возможны погнутость лопасти, трещины на ней
Появление трещин Недостаточная вязкость металла винта Появление трещин также возможно в местах, где ранее был проведен ремонт
Усталостные разрушения Работы гребных винтов под действием знакопеременных нагрузок Усталостным разрушениям особенно подвержены латунные винты
Эрозионные повреждения Кавитация Повреждения имеют механический характер и являются результатом воздействия ударных нагрузок, образующихся при замыкании кавитационных полостей. Эрозионные повреждения лопастей связаны с увеличением водоизмещения судов и диаметра гребных винтов, с ростом скорости, а также с характерной (в особенности для одновинтовых судов) неравномерностью поля скоростей в диске гребного винта
Коррозионное растрескивание Одновременное действие больших растягивающих напряжений в металле винта, близких к пределу текучести, и агрессивной окружающей среды Разрушение вызывается суммарным воздействием эксплуатационных и остаточных напряжений, при этом последние являются наиболее опасными и могут быть вызваны локальным нагревом или охлаждением участков гребного винта при изготовлении и ремонте
Крутящий момент, передаваемый от двигателя к винту, носит пульсирующий характер, обусловлено периодическим изменением сил в двигателе внутреннего сгорания, а с другой стороны - изменением упора винта при вхождении лопастей в зоны неравномерного попутного потока воды (вход в «теневое» кормовое пространство и выход из него). Периодические изменения крутящего момента способствуют развитию в системе двигатель - валопровод - винт крутильных и продольных колебаний. При совпадении частот вынужденных и собственных колебаний возникает явление резонанса весьма опасного для работы системы. Гидродинамическая неуравновешенность гребного винта возникает при нарушении правильного взаиморасположения лопастей или работой винта в условиях частичного погружения [1].
Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование
Остается нерешенным ряд технических задач, связанный со спецификой эксплуатации гребных винтов, в том числе из-за отсутствия универсальных математических моделей учета динамических воздействий. К таким задачам можно отнести: определение действующих на винт фактических нагрузок (в основном их определяют косвенным методом [1]); статическую и динамическую балансировку в системе винт - дейдвудное устройство - валопровод и прочее. При расчете на крутильные колебания валопроводов используют модель упругого стержня с приведенными сосредоточенными моментами инерции масс [1, 3], такой подход позволяет достаточно точно определить частотные характеристики механической системы в ограниченном спектре, но с другой стороны, точность определения динамических усилий будет зависеть от степени дискретизации модели. Также практически не рассматривается задача изгибных колебаний в системе винт - дейдвудное устройство - валопровод.
При исследовании крутильных колебаний валопровод рассматривается как упругий однородный или кусочно-однородный стержень с распределенными и сосредоточенными параметрами. Математическая модель колебаний представляет собой дифференциальное уравнение в частных производных [4] :
^г 52ф г д2т „ <Э3ф „ <Ф . . GJ —г-pJ —г + t—— = m(x, t), (1)
' dx2 0 ' dt2 Sl dtdx2 S2 dt ( , ), ( )
где GJ - жесткость вала при кручении; pJ - момент инерции массы единицы длины вала; ^ и - коэффициенты, характеризующие внутреннее и внешнее затухание соответственно; m(x, t) - интенсивность внешнего скручивающего момента; ф - угол закручивания; x - продольная координата; t - время.
При рассмотрении продольных и изгибных колебаний, как правило, пользуются принципом суперпозиций, однако при значительных величинах продольных сил такой подход является не всегда обоснованным. Математическая модель изгибных колебаний с учетом продольных сил имеет вид [4] :
d4 y д2 y д5 y д2 y , „
EJ -y + pF -I + + N -y = q(x,t), (2)
dx dt dtdx dx
где EJ - изгибная жесткость вала; pF - линейная плотность; ц - коэффициент, характеризующий внутреннее затухание; N - продольная сила; q(x, t) - интенсивность распределенной нагрузки;
y - поперечные перемещения.
Для повышения эксплуатационных характеристик гребных винтов, а также снижения количества аварийных ситуаций необходимо провести исследования моделей (1) и (2) для различных частных случаев граничных и начальных условий. Однако в этом контексте следует рассматривать исследование динамики валопроводов не только как решение отдельных частных задач, но и прослеживать эволюцию развития математической модели. Модель может развиваться как по пути ее усложнения при учете максимального числа параметров с применением к ее исследованию современных численных алгоритмов расчета и компьютерного моделирования, так и по пути упрощения путем выделения наиболее значимых влияющих факторов, что позволит выработать инженерные решения для рассматриваемой проблемы.
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. Балацкий Л.Т., Бегагоен Т.Н. Дейдвудные устройства морских судов. - 2-с изд., пере-раб. и доп. - М.: Транспорт, 1980. - 192 с.
3. Gaamouche R., Redouane A., Elharraki I., et al. Optimal Feedback Control of Nonlinear Variable-Speed Marine Current Turbine Using a Two-Mass Model. J. Marine. Sci. Appl. 19, 83-95 (2020). https://doi.org/10.1007/s11804-020-00134-6
4. ФилипповА.П. Колебания механических систем. - Киев: Наукова думка, 1965. - 716 с.
