CC BY
169
В. В. Комаров
РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ГЛАВНЫХ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬ-РЕДУКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ С КОРОТКИМИ ВАЛОПРОВОДАМИ
По судам, построенным в последние годы (пр. 443 типа «Каспрыба», пр. 00191 типа «Валерия Барсова», пр. 00221 типа «Pannon star», пр. 19614 типа «Нижний Новгород» и др.), прослеживается тенденция к проектированию двигательно-движительных установок (ДДУ), состоящих из дизель-редукторных агрегатов (ДРА) и валопроводов минимальной протяженности. Анализ конструкций указанных ДДУ выявил ряд особенностей, существенно отражающихся на их работоспособности.
На основании ГОСТ 27.002-891 под работоспособностью ДДУ понимается такое ее состояние, при котором она способна выполнять свои функции в заданных условиях эксплуатации с параметрами согласно проектной документации. При этом является очевидным, что работоспособное состояние ДДУ должна сохранять в течение определенного эксплуатационного времени. Иначе ДДУ, как ненадежная механическая система, свое функциональное назначение утрачивает.
Состояние ДДУ, достигнутое при ее монтаже на судне, при последующей эксплуатации не сохраняется. Из-за износов в зубчатых зацеплениях редуктора и в подшипниковых парах валов, деформации корпуса судна и др. номинальные параметры состояния ДДУ (реакции на опорах, нормальные напряжения в валах, зазоры в подшипниках и зубьях колес и др.) изменяются и через некоторый промежуток времени достигают своих предельных значений. Дальнейшая эксплуатация ДДУ в таких случаях становится невозможной из-за выхода всех или части контролируемых параметров состояния за допускаемые пределы. Возникающие в этой связи отказы служат причиной нарушения работоспособности.
Для надежной эксплуатации ДДУ параметры ее состояния должны иметь определенные запасы сверх номинальных значений. Количественно эти запасы устанавливаются на стадии проектирования ДДУ по результатам практических данных по эксплуатации или научных исследований в соответствующих областях строительства и ремонта главных установок, валопровода и судна в целом. При отсутствии или малых значениях указанных запасов качество построенной ДДУ и сроки ее нормальной эксплуатации становятся неопределенными.
Алгебраические разности между предельными и номинальными значениями контролируемых параметров являются предельными (верхними и нижними) отклонениями (рис. 1):
max Dp = (max р - nomp); min Др. = (min Pi - nomP). (1)
1 ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.
Каждое из предельных отклонений max Др или min Др характеризует возможную степень изменения номинальных параметров Р. состояния ДДУ за весь ремонтно-эксплуатационный цикл. По своему назначению они являются функциональными и в зависимости от целей использования могут быть разделены на две части: конструктивно-технологическую max ДРт. (min ДРт.) - для компенсации погрешностей при постройке и монтаже ДДУ; эксплуатационную - max ДРэю. (min ДРэю.) - для компенсации эксплуатационных изменений в ДДУ (рис. 1), т. е.
max Др = (max ДРкт + max ДРэю.); min Др = (min ДРкт + min ДРэк.). (2)
max P,
) ном Pi \ ‘ max APxi > > max ^кті > < і $ ■ X a am > k > Q f
min Pi ) min ДPKTІ min ^жі k > 1 .5 k t >
А
Ось отсчета
Рис. 1. Предельные отклонения и допуски контролируемых параметров
Каждая из составных частей max(min)ДрcIi или max(min)ДPэKi предельных отклонений каждого из контролируемых параметров должна быть действительной, т. е. не нулевой. Кроме этого, max ДрcIi. и max AP3Ki, min и min Дрю. должны быть в оптимальном соотношении между собой, что вытекает из потребностей минимальной трудоемкости постройки и монтажа ДДУ и максимально возможной продолжительности ее эксплуатации.
В зависимости от степени загрузки (разгрузки) судна изгиб валов ДДУ, совместный с изгибом корпуса, может приводить к изменению изгибающих моментов в них и реакций на опорах как в меньшую, так и в большую стороны. Соответственно и предельные отклонения ДPCIi. и Дрю. также должны быть обоих знаков. В противном случае работоспособность ДДУ может оказаться обеспеченной в течение очень короткого эксплуатационного промежутка времени.
Работоспособность ДДУ находится в тесной взаимосвязи с ремонтопригодностью, эксплуатационной и ремонтной технологичностью конструкции ДДУ, характеризующими приспособленность ДДУ к выполнению своих функций и к осуществлению ремонтных работ с целью восстановления утрачиваемой работоспособности и ресурса [1]. Другими словами, воз-
можные затруднения, связанные с обеспечением работоспособности ДДУ, будут являться одновременно признаком несовершенства ее конструкци.
Состояние работоспособности ДДУ и степень реализации требований по функциональным допускам контролируемых параметров рассмотрены на примере ДДУ танкеров пр. 19614 (рис. 2), строящихся в настоящее время для замены танкеров типа «Волгонефть».
Рис. 2. Двигательно-движительная установка на судах пр. 19614 типа «Н. Новгород»
ДДУ этих судов включает в себя двухопорный гребной вал, без-опорный промежуточный вал и ДРА, состоящий из главного двигателя 6Ь20 «Вяртсиля» N = 930 кВт, п = 1 000 об/мин) и редуктора WAF-842 фирмы КБПБ8 (/ = 3,905).
Технологический процесс монтажа ДДУ при постройке судов может выполняться по двум возможным вариантам.
По одному из них после пробивки конструктивной оси сначала устанавливается реверс-редуктор, после чего независимо друг от друга могут монтироваться дейдвудное устройство с валопроводом и главный двигатель. В этом случае соосное положение всех опор ДДУ относительно единой монтажной базы обусловливает передачу определенной доли весовых нагрузок от валопровода на ведомый вал редуктора. Состояние смонтированной ДДУ в статическом ее состоянии и в начальный период эксплуатации характеризуется данными в табл. 1.
По второму варианту монтажа (менее технологичному по затратам времени и труда, но обеспечивающему выполнение технических требований фирмы-поставщика по редуктору) по конструктивной оси устанавливается только валопровод. Редуктор прицентровывается соосно к носовому концу валопровода, благодаря чему весь его потенциальный запас по несущей способности сохраняется для последующей эксплуатации и ремонта ДДУ. Параметры состояния ДДУ такого варианта монтажа приведены табл. 1.
Таблица 1
Параметры состояния ДДУ (в вертикальной плоскости)
Контролируемые параметры Значения параметров в сечениях*
Вг F^ Ґ2
В статическом состоянии
Реакции на опорах, Н 25995 20180 9120 -520
24535 24515 3640 2085
Изгибающие моменты, Н.м -9265 -9270 -855 0
-18705 5 7 -
С учетом нагрузок в зубчатом зацеплении редуктора
Реакции на опорах, Н 26035 19815 64350 -6360
24575 24150 58870 -3755
Изгибающие моменты, Н.м -9265 -9015 -1760 0
-18448 -975
С учетом теплового расширения редуктора
Реакции на опорах, Н 26070 19605 65840 -7675
24610 23940 60360 -5070
Изгибающие моменты, Н.м -9265 -1785 -2155 0
-18218 -1375
* В числителе приведены данные для условий соосного положения опор ДДУ; в знаменателе - в условиях соосной прицентровки редуктора к валопроводу.
В табл. 2 приведены пределы нагружения валов и опор, являющиеся одними из основных определяющих параметров в оценке работоспособности ДДУ. Они были рассчитаны на основе нормативных значений по удельным нагрузкам для опор и нормальных напряжений в материале гребного вала (по ОСТ 5.4368-81').
Т аблица 2
Пределы нагружения опор и валов ДДУ
Параметры Значения параметров в сечениях
нагружения Вг Ві Гі Гг
Реакции на опорах, Н: 49570 44200 66910 31665
шах[К1]/шіи[К1] 7290 6500 -66910 -31665
Изгибающие моменты, Н.м: шах[М1]/ш1п[М1] 48275 -48275 43125 -43125 - -
Предельные значения реакций на опорах редуктора указаны согласно фирменной документации.
На основании данных табл. 1, 2 величины предельных отклонений номинальных реакций и изгибающих моментов, рассчитанные по фор-
1 ОСТ 5.4368-81. Валопроводы судовых движительных установок. Монтаж. Технические требования, правила приемки и методы контроля.
муле (1), приведены в табл. 3. Дополнительные изгибающие моменты в материале вала (табл. 3) были определены согласно ОСТ 15.335-852.
Таблица 3
Предельные отклонения параметров состояния ДДУ
Параметры Значения предельных отклонений
Вг Ві ^2
Предельные отклонения опорных реакций, Н: шах[АР1]/ш1п[АР1] 23500 24960 24595 20260 1070 6550 39340 36375
-18780 -17320 -13105 -17440 -132750 -127270 -23990 -26595
Предельные отклонения изгибающих моментов, Н.м: шах[АМ1]/ш1п[АМ1] 57540 57540 51910 61345 2050 2050 -
-39010 39010 -34340 -24910 -2050 -2050 -
*См. сноску к табл. 1.
Из сравнительного анализа данных в табл. 1, 2 следует, что в начальный период эксплуатации (при отсутствии износов на опорах гребного вала) опорные реакции и изгибающие моменты в валах не выходят за допускаемые пределы по обоим вариантам монтажа ДДУ и формально работоспособность можно считать обеспеченной.
В последующий период эксплуатации от износов на дейдвудных опорах гребной вал будет проседать и вызывать тем самым дополнительное нагружение ведомого вала и опор редуктора. По расчетным методикам ОСТ 15.335-85 указанное нагружение на опоре Р1 (рис. 2), как наиболее опасном сечении, в математической форме выражается уравнениями:
МР1 = (467,22/к - 6109,57/н) Н • м; дЯ = (-2061,96/к + 23378,69/н) Н,
где /к и /н - износы на кормовой и носовой дейдвудных опорах, мм.
Если принять, с учетом данных в [2], величину удельных износов резинометаллических дейдвудных втулок / = 0,22 мм/1 000 час, а соотношение износов/ //н » 1,75 [3], то дополнительная реакция на кормовой опоре Р1 будет увеличиваться на 5ЯР1 = 2 485 Н, а изгибающий момент - на 5МР1 = -665 Н.м через каждую тысячу часов эксплуатации. Это означает, что имеющиеся запасы по реакции на опоре Р1 редуктора (табл. 3), оказались столь малыми, что через Т = 1 070/2 485 = 0,43 тыс. ч или Т = = 6 550 / 2 485 = = 2,64 тыс. ч и износах/ » 0,20 мм и/н » 0,10 мм или/ » » 0,60 мм и/н » 0,35 мм (в зависимости от варианта монтажа ДДУ) реакция ЯР1 превысит свой допускаемый предел. Редуктор, по признакам ГОСТ 27.002-89, окажется неработоспособным, а нормальная эксплуата-
2 ОСТ 15.335-85. Валопроводы судовые. Центровка на ремонтируемых судах. Технические требования и типовые технологические процессы.
ция ДДУ будет невозможной. При этом следует иметь в виду, что период эксплуатации Т был определен в предположении полного использования величин предельных отклонений aRF1 и aMF1 (табл. 3) для целей компенсации только эксплуатационных изменений, [max ARFi= max AR^^ (max ARF1K1 = 0), max AMFi = max АМ?’]ЭК (max АМЯКт 0)]. При других соотношениях max АRF1ЭК и max aRF1KK, max aMf13R и max aMfiej (определяемых, например, равенством потребностей для целей ремонта и эксплуатации) утрата работоспособности редуктора (а с ним и всей ДДУ) наступит при еще меньших сроках эксплуатации, не согласующихся с условиями коммерческой деятельности судна.
Восстановление работоспособности в таких случаях будет связано только с перецентровкой всей ДДУ. При этом сохранение редуктора на своем фундаменте практически будет исключено из-за недостаточной технологической гибкости валопровода. Малые по величине допускаемые износы на дейдвудных опорах явятся причиной замены дейдвудных втулок в неплановые сроки. Отсутствие постоянного наблюдения за износами на дейдвудных опорах и естественное стремление судовладельцев к реализации нормативных сроков эксплуатации судна могут послужить причиной неконтролируемой нагрузки на редуктор с соответствующими последствиями для его работоспособности.
Если исключить предположение о завышенных технических требованиях к нагружению опор редуктора, установленных фирмой-поставщиком, то решение проблемы работоспособности ДДУ на судах пр. 19614 прямо связано с совершенствованием ее конструкции, т. е. с повышением ее монтажной и эксплуатационной технологичности. Анализ показывает, что в качестве обязательных должны быть предусмотрены меры по ограждению редуктора от влияния валопровода.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Технологичность конструкций изделий: Справ. / Т. К. Алферова, Ю. Д. Амиров, П. Н. Волков и др.; Под ред. Ю. Д. Амирова. - М.: Машиностроение, 1985. 368 с.
2. Б. И. Смирнов. Износостойкость гребных валов с капролоновыми подшипниками // Судостроение. - 1975. - № 4. - С. 25-27.
3. В. Ф. Бабанин, М. Б. Рубин, А. В. Николаев, М. В. Шулькин. Моделирование на ЭВМ процесса эксплуатации опор гребного вала // Судостроение. - 1986. -№ 11. - С. 36-38.
