CC BY
69
Следует отметить, что при назначении
толщины вкладыша о = —------- —> min необ-
2
ходимо задумываться над возможностью изготовления таких тонкостенных цилиндров на производстве, то есть задумываться о технологичности данной детали.
Отметим, что для конструкций шарнирных узлов перегрузочных машин, например сочленений стреловых систем портальных кранов, грузозахватных приспособлениях большой грузоподъемности, при выборе оптимальных параметров вкладыша может быть рекомендовано неравенство: 0,1 < т~1 — 1 < 0,15.
Список литературы
1. Иванов В. Ю. О влиянии конечных размеров шарнира на решение контактной задачи / В. Ю. Иванов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — 2010. — № 4 (110).
УДК 621.822.8, 629.54 Р. Н. Гаврилюк,
аспирант,
СПГУВК
ПРОЧНОСТНАЯ ОЦЕНКА ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА THE STRESS-STRAIN ESTIMATION OF SHIP’S SHAFTING ROLLING BEARINGS
В статье произведена прочностная оценка конструкции подшипника качения с полыми роликами. С помощью МКЭ определены максимальные контактные напряжения в местах контактов тел качения, изгибные напряжения и деформации роликов. После получения итерационного процесса поиска решения нелинейной задачи был выполнен анализ полученных результатов. Также решается задача исследования НДС подшипника при перекосе вала.
The article represents the strength estimation of rolling bearings construction with hollow rollers. By means offinite element method (FEM) the maximum contact pressure in areas of roller contacts, bending leverages and roller deformations are defined. After the iterative process of nonlinear solution had been carried out, the final results were analyzed. Also the research task of rolling bearing mode of deformation at shaft misalignment is solved.
Ключевые слова: подшипники качения, ролики, напряжения.
Key words: the rolling bearings, the rollers, the strength.
ЕШЕНИЮ вопросов в проблеме повышения надежности судовых ва-лопроводов посвящено много работ отечественных и зарубежных авторов.
Конструктивная простота валопрово-да — кажущаяся. Длительный опыт эксплуатации судов свидетельствует о том, что до сих пор наблюдаются поломки валов и час-
ты случаи аварийного износа подшипников. При этом количество повреждений и аварий гребных валов возрастает с увеличением их диаметров. Нарушение работоспособности валопровода приводит к снижению скорости судна или полной потере хода и может создать условия, приводящие к гибели людей. Ремонт валопровода связан с большими экономичес-
Ил
Выпуск 2
Выпуск 2
кими потерями, которые определяются необходимостью вывода судна из эксплуатации и постановки его в док. На данном основании валопровод следует отнести к числу наиболее ответственных и напряженных деталей энергетической установки.
В то же время изготовление валопрово-да и последующий его монтаж на судне требуют значительных материальных и трудовых затрат. Задача повышения работоспособности валопровода является актуальной, так как не удается увеличить технический ресурс валопровода и сократить влияние эксплуатационных условий на его работу. Поэтому проблема долговечности валопровода — это задача конструирования, расчета прочности и долговечности, технологии изготовления и монтажа.
Перспективным направлением повыше -ния несущей способности валопровода является новое конструктивно-технологическое решение в виде опорного подшипника качения с полыми роликами, который дает возможность увеличить КПД валопровода и снизить механические потери линии вала. Предполагается, что введение в конструкцию элемента в виде полого ролика, расположенного между кольцами подшипника, и создание увеличенной ширины площадки контакта за счет уменьшения жесткости соприкасающихся тел позволяют снизить контактные напряжения и повысить долговечность опоры. Применение полых роликов повышает долговечность опоры за счет лучшего распределения нагрузки по телам качения, подшипник имеет более мягкую эпюру напряжений, при этом пиковая нагрузка на подшипник снижается в 2-3 раза.
Таким образом, проблема формирования высокотехнологичных и надежных конструктивно-технологичных решений, основой которых являются подшипники качения с повышенными эксплуатационными характеристиками, для повышения работоспособности валопровода, увеличения его технического ресурса и сокращения влияний эксплуатационных условий на его работу, является актуальной, особенно при постройке судов и кораблей на экспорт.
Для практической реализации разработанной новой конструкции подшипника
необходимо выполнить прочностную оценку конструкции подшипника и произвести исследование влияния изменения параметров пустотелости на прочность и работоспособность подшипника с полыми роликами, влияние на его напряженно-деформированное состояние и несущую способность.
Расчет подшипника с помощью метода конечных элементов
Целью расчета является определение прочностных характеристик подшипника и их оценка.
Для этого был проведен расчет подшипника качения со следующими характеристиками: внешний радиус корпуса подшипника = 570 мм; внутренний радиус корпуса подшипника = 545 мм; внешний радиус ролика = 50 мм; параметр пустотелости = 0,5, под параметром пустотелости в расчете понимается отношение внутреннего диаметра ролика к наружному; диаметр вала = 445 мм.
Моделирование работы подшипника осуществлялось следующим образом. Средствами препроцессора А№У8 строилась геометрическая модель, которая разбивалась на конечные элементы типа РЬАКЕ82. В силу симметрии модели подшипника для всех расчетных случаев дискретизации была подвергнута лишь половина модели, а на плоскостях разреза заданы условия симметрии.
На модель накладывались следующие граничные условия [1]:
— наружное кольцо подшипника было жестко заделано по всем степеням свободы;
— сепаратор подшипника имитировался при помощи условий симметрии, наложенных на плоскости роликов, проходящие через центр, и перпендикулярных направлению движения роликов по беговой дорожке;
— по узлам, лежащим на внутренней поверхности вала, было произведено объединение степеней свободы по вертикальной оси (ОУ). Данное объединение позволило смоделировать жесткое перемещение вала с посаженным на него подшипником с целью передачи нагрузки.
В контактах роликов с кольцами были сгенерированы контактные пары типа «поверх-
ность-поверхность». На поверхностях роликов заданы элементы СОКТА172, на кольцах подшипника — ТАЯОЕ169.
В соответствии с общими принципами нелинейных контактных задач [2] нагружение модели проводилось в два этапа. На первом шаге нагружения подшипнику задавался предварительный натяг, равный 0,0001 мм. Это необходимо для того, чтобы контактирующие поверхности сблизились на расстояние, достаточное для того, чтобы начали сра-батыв ать контактные пары [3]. Далее прикладывалась общая вертикальная сила, равная 4500 кН (в расчете сила была уменьшена в два раза, так как анализу подвергалась лишь половина модели).
Используемая марка стали для роликов 60С2А, сталь конструкционная рессорно-пружинная:
— твердость материала НВ 10-1 = 269 МПа;
— предел кратковременной прочности = 1570 МПа;
— предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации) = 1375 МПа;
— относительное удлинение при разрыве = 6 %;
— относительное сужение = 20 %.
Результаты расчета
На рис. 1 показаны эквивалентные напряжения по гипотезе Губера-Мизе-са.
На рис. 2 показано напряженно -деформированное состояние тех роликов, которые в основном воспринимают нормальную нагрузку.
Видно, что максимальные значения эквивалентных деформаций наблюдаются в полюсах ролика в практически точечных зонах контакта. Сопоставимые с ними по величине деформации — следствие изгиба ролика в зоне большой кривизны.
На рис. 3 показаны некоторые числовые значения максимальных напряжений при контакте ролика с внешним
ыооаь эоьитюы " “
РЕВ 19 2011
0 .45 6Е+09 .913Е+09 Л37Е+10
.228Е+09 .684Е+0 9 .114Е+10 .160Е+10
Рис. 1. Эквивалентные напряжения (по фон Мизесу)
ЫООАЬ элт.пфтлм ЭТЕР=1
ДМ
Рис. 2. Напряженно-деформированное состояние роликов, увеличение в 57 раз. Поле напряжений Мизеса
иогаь зоьитхсж
ЗТЕР=2 ЗиБ =24 ТХМЕ=2 ЗЕОУ
ЛИ
Рис. 3. Максимальные напряжения в областях контакта ролика
Выпуск 2
Выпуск 2
□б*
кольцом и валом, а также в областях максимального изгиба.
На рис. 4 представлены контактные давления на поверхностях роликов.
Далее были определены площадки контактов и установлено, что для заданного уровня нагрузки площадки контакта с нормальным взаимодействием ограничены фактически размером первого конечного элемента, контакт с трением происходит в пределах размера двух конечных элементов. Увеличение числа КЭ может уточнить размеры площадок, но не существенно. При этом время нелинейного расчета весьма возрастет. Размер контактной площадки имеет значение при анализе износа роликов. Поскольку на данном этапе исследования рассматривается статическая прочность, существующая сетка считается удовлетворительной.
На рис. 5 представлена зависимость изменения контактного давления от уровня нагрузки. Контактные давления снимались на площадках контакта первых четырех роликов, где уровень контактных давлений максимальный. Также было определено, что контактные давления практически одинаковы на верхней и нижней площадке каждого ролика, что соответствует теоретическим исследованиям. Из графика видно, что зависимость имеет линейный характер и максимальные контактные давления находятся на первом ролике и достигают 1880 МПа. Далее по мере удаления роликов от центра подшипника происходит снижение контактного давления на площадках контактов, второй ролик — 1810 МПа, третий ролик — 1650 МПа, четвертый ролик — 1380 МПа.
В отличие от сплошного ролика, прочность полого ролика определяется не только контактными, но и изгибными напряжениями. На рис. 6 представлена зависимость изменения напряжений в контактной зоне на первых четырех роликах.
Было определено, что по мере снижения напряжений в местах контакта роликов с валом, происходит снижение из-гибных напряжений растяжения и сжатия на внутренней поверхности ролика.
Рис. 4. Контактные давления
Рис. 5. Изменение контактного давления от уровня нагрузки
Рис. 6. Изменение напряжений в контактной зоне от уровня нагрузки
Также в настоящее время решается задача исследования напряженно-деформированного состояния подшипника при перекосе вала [4, с. 51-56], рис. 7, но эта задача требует построения трехмерной модели, что очень трудоемко. Для решения этой задачи была построена плоская модель подшипника с перекосом вала, но для того, чтобы определить влияние перекоса вала на полые ролики подшипника, необходимо представить в расчете полый ролик целым, но с меньшим коэффициентом упругости, что правомерно, так как имеет место линейная зависимость между напряжениями и деформациями. На рис. 8 показана модель для определения модуля объемного сжатия для каждого коэффициента пустотелости.
Таким образом, в программном комплексе АК8У8 у.12.1 была выполнена прочностная оценка конструкции подшипника: был выполнен сопоставительный анализ вариантов его нагружения путем расчета контактных напряжений в местах контактов тел качения. После получения итерационного процесса поиска решения нелинейной задачи был выполнен анализ полученных результатов. Интерес представляет распределение нагрузки между роликами и контактные напряжения на площадках контакта.
В результате проведения анализа установлены эквивалентные напряжения в центре площадки контакта наиболее нагруженного ролика с валом 1880 МПа и соседнего ролика с валом 1810 МПа. Предельно допустимые напряжения в подшипниках качения в местах точечного контакта равны 5 тыс. МПа. Анализ распределения напряжений в результате нагружения показал, что значения напряжений не превышают предельно допустимых значений. Про-
Рис. 7. Имитация перекоса судового вала в подшипнике качения
Рис. 8. Модель для определения модуля объемного сжатия ролика
веденный конечноэлементный анализ позволил смоделировать условия нагружения подшипника и провести сопоставление и оценку его рассчитанных параметров с целью оптимизации конструкции подшипника.
«То
Список литературы
1. Сызранцев В. Н. Расчет напряженно-деформированного состояния деталей методами конечных и граничных элементов / В. Н. Сызранцева, К. В. Сызранцева. — Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2000. — 111 с.
Выпуск 2
Выпуск 2
2. Басов К. А. ANSYS в примерах и задачах / К. А. Басов; под общ. ред. Д. Г. Красковско-го. — М.: КомпьютерПресс, 2002. — 224 с.
3. ANSYS Solutions. — 2006 [рус. ред.]. — № 3: Энергетика. — 56 с.
4. Гаврилюк Р. Н. Материалы межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов / Р. Н. Гаврилюк. — СПб.: СПГУВК, 2010.
5. Румб В. К. Основы проектирования и расчета судового валопровода / В. К. Румб. — 1996.
УДК 629.122 В. А. Шишкин,
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АМФИБИЙНЫХ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ В СФЕРЕ ТУРИЗМА НА ВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ PROSPECTS OF AMPHIBIOUS HOVERCRAFT TOURISM IN WATER TRANSPORT
На примере Санкт-Петербурга рассмотрены правовые аспекты и технические возможности внедрения амфибийных судов на воздушной подушке в сферу туризма на водном транспорте.
The legal aspects and technical feasibility of introducing amphibious hovercraft in the sphere of tourism in water transport are considered on the example of St. Petersburg.
Ключевые слова: туризм на водном транспорте, суда на воздушной подушке, амфибийные суда.
Key words: tourism in water transport, hovercraft, amphibious ships.
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
В. Н. Окунев,
канд. техн. наук, доцент, СПГУВК
ЖЕГОДНО Санкт-Петербург посещают несколько миллионов российских и иностранных туристов. Яв-
вил в 2009 г. 1,8 млн туристов. Однако туристические перевозки водным транспортом в Санкт-Петербурге все еще развиты недостаточно и значительно уступают европейским городам, имеющим подобный внутригородской водный потенциал. При этом в 2009 г. количество пассажиров на реках и каналах Санкт-Петербурга сократилось на 11 % по сравнению с 2008 г.
ляясь одним из красивейших городов мира, Санкт-Петербург с каждым годом расширяет направления реализации своего туристического потенциала.
По обилию вод Петербург занимает
первое место среди городов Российской Федерации и одно из первых мест в мире. Река Нева, протекающая только в пределах города на протяжении 28 км, около 100 рек, речек, ручьев и проток, свыше 20 каналов общей протяженностью около 300 км.
Среди основных факторов, сдерживающих развитие водного туризма в Санкт-Петербурге и Ленинградской области, специалисты отмечают: отсутствие современной причальной (портовой) инфраструктуры для приема и обслуживания судов круизного и прогулочно-экскурсионного флота, туристских, прогулочных и спортивных яхт и катеров; плохое навигационное обеспечение;
По данным Ассоциации владельцев
пассажирских судов, охватывающей порядка 90 % рынка водных перевозок, можно судить, что общий объем перевозок на рынке соста-
