CC BY
88
УДК 629.12.035-233.1-233.21:534
В. А. Мамонтов, А. Р. Рубан, Н. В. Куличкин, А. А. Халявкин
РАСЧЕТ ПОПЕРЕЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДОВ СУДОВ С УЧЕТОМ ДЛИНЫ И ЖЕСТКОСТИ ДЕЙДВУДНЫ1Х ПОДШИПНИКОВ
Обеспечение длительной и надежной работы валопроводов крупнотоннажных транспортных судов представляет собой одну из важных проблем судостроения.
Выход из строя судового валопровода наносит ущерб, во много раз превышающий стоимость разрушенного вала.
При проектировании валопровода обязательно производят его расчет на поперечные колебания для упреждения его резонансного состояния. При резонансном состоянии валопровод приходит в неустойчивое состояние и начинает «бить» [1]. Длительная работа при резонансном состоянии недопустима не только из-за неспокойного хода, но и по причине опасности поломки вала.
Разработаны различные методы исследования колебаний валопровода [1, 2]. Однако при всем различии этих методов все они рассматривают валопровод как балку ступенчатопостоянного сечения, опирающуюся на так называемые «точечные» опоры. В действительности же опоры имеют определенную длину, заметно отличающуюся от «точечной». Именно поэтому основным недостатком всех методов исследования поперечных колебаний валопровода является то, что они не учитывают реальную длину дейдвудных подшипников и, соответственно, длину контакта вала с дейдвудными подшипниками.
В [3] установлено, что длинные дейдвудные подшипники могут оказывать существенное влияние на поперечные колебания гребного вала вследствие изменения длины контакта гребного вала с подшипниками в процессе колебаний. Таким образом, реально валопровод представляет собой систему с периодически изменяющимися параметрами. Как известно, в таких системах возможно возникновение нелинейных, так называемых параметрических колебаний. В отличие от обычных (механических), параметрические колебания имеют области неустойчивости, и резонанс может иметь место при частотах меньших, чем резонансные частоты механических колебаний. Именно поэтому в исследовании поставлена задача определить собственную частоту гребного вала с учетом износа дейдвудных подшипников вследствие изменения длины контакта гребного вала с подшипником.
На начальном этапе исследования дана оценка влияния длины и жесткости дейдвудных подшипников при расчете поперечных колебаний валопроводов (рис. 1) на примере валопрово-да судна ТСЖ 300.
Рис. 1. Общий вид валопровода судна ТСЖ 300
Результаты расчета были сравнены с результатами, полученными другими методами: по РД 5.4307-79 [2], Шиманского и Бернулли [1].
Расчет поперечных колебаний валопровода с учетом длины и жесткости дейдвудных подшипников без учета отрыва вала от подшипника сводился к составлению уравнений прогибов на участках [4] и составлению граничных условий в точках А, В, С, В, Е, ^ (рис. 2).
Значения собственных частот колебаний, полученные исследуемыми методами, представлены на рис. 3.
70
60
50
40
30
20
10
о
61,36
44,55
33,16
27,29
1
2
3
4
Рис. 3. Диаграмма значений собственных частотр (с- ) колебаний, полученных разными методами:
1 - метод РД 5.4307-79; 2 - Шиманского; 3 - Бернулли;
4 - расчет с учетом длины и жесткости дейдвудных подшипников
Как видно из диаграммы, полученные значения собственной частоты колебаний различны. Наибольшее значение имеет частота колебаний по расчету, учитывающему длину дейдвуд-ного подшипника. Процентное расхождение результатов расчетов с результатами расчетов по рассматриваемому методу представлено в табл. 1.
Таблица 1
Сравнительный анализ значений собственных частот, полученных разными методами
п Метод Расхождение, % п= рп - Ра 100 % Рп
1 РД 5.4307-79 55,5
2 Шиманского 46
3 Бернулли 27,4
4 Расчет с учетом длины и жесткости дейдвудных подшипников -
В табл. 2 представлено влияние жесткости к дейдвудных подшипников на частоту собственных колебаний вала. Как видно из диаграммы, с увеличением жесткости значение собственной частоты растёт.
Таблица 2
Влияние жесткости дейдвудных подшипников на частоту собственных колебаний валопровода
№ к, Па Р, «Г1
1 107 19,4
2 108 35,23
3 109 61,36
4 1 010 93,13
Исследования собственных частот валопроводов судов показали, что при исследовании колебаний валопровода судов достаточно рассматривать только часть гребного вала, включающую консоль с гребным винтом и примыкающий к консоли дейдвудный подшипник [5]. Для подтверждения этого были рассмотрены три расчетные схемы: расчетная схема, включающая весь валопровод (рис. 2), расчетная схема, включающая только гребную часть валопровода и примыкающий к нему промежуточный вал (рис. 4, а), и расчетная схема, включающая только гребную часть валопровода (рис. 4, б).
шь, ЕВ
Я Тс в
т2, EJ2
/л
Рис. 4. Расчетные схемы
б
На основе результатов расчета по схеме, включающей только гребную часть валопровода и примыкающий к нему промежуточный вал, был построен график зависимости частоты собственных колебаний от пролёта (промежуточного вала) длиной а (рис. 5). По графику видно, что влияние промежуточного вала на частоту собственных колебаний мало.
а, м
Рис. 5. Влияние длины пролёта на собственные колебания балки
Результаты расчета приведены в табл. 3.
Таблица 3
Сравнительный анализ полученных значений собственных частот
n Расчетные схемы Значение собственных частот, с 1 Расхождение, % h= Pn - Pl -100 % pn
1 На рис. 2 61,36 -
2 На рис. 4, а 61,79 0,7
3 На рис. 4, б 65,8 6,7
Как видно из таблицы, при расчете поперечных колебаний валопроводов достаточно рассматривать только гребную часть валопровода, включающую консоль с гребным винтом и примыкающий к консоли дейдвудный подшипник. Максимальное расхождение с результатами расчетов составляет около 7 %.
Выводы
1. Проанализированы существующие методы исследования поперечных колебаний валопроводов судов. Отмечен их общий недостаток - они не учитывают реальную длину дейдвуд-ных подшипников и, соответственно, длину контакта вала с дейдвудными подшипниками.
2. Дана сравнительная оценка трем методикам определения собственных поперечных колебаний при расчете натурного валопровода. Полученные значения сравнивались с результатами расчетов валопровода с учетом длины и жесткости дейдвудных подшипников. Значение собственной частоты балки на протяженной опоре значительно превышает значения собственных частот, полученных другими методами.
3. Установлено, что при расчете поперечных колебаний валопроводов судов с учетом длины и жесткости дейдвудных подшипников достаточно рассматривать только его гребную часть (рис. 4, б), а не весь валопровод в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Николаев В. А. Конструирование и расчет судовых валопроводов. - Л.: Гос. союз. изд-во судостр. пром-сти, 1956. - 358 с.
2. Валопроводы судовые. Правила и нормы проектирования. РД 5.4307-79. - Л.: Изд-во судостроит. пром-сти, 1979. - 80 с.
3. Миронов А. И., Денисова Л. М. Влияние дейдвудных подшипников на колебания валопроводов судов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2004. - № 1 (20). - С. 125-130.
4. Строительная механика. Динамика и устойчивость сооружений / А. Ф. Смирнов, А. В. Александров, Б. Я. Лащеников, Н. Н. Шапошников. - М.: Стройиздат, 1984. - 416 с.
5. Денисова Л. М., Миронов А. И., Халявкин А. А. К исследованию поперечных колебаний валопроводов судов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2010. - № 1. - С. 95-99.
Статья поступила в редакцию 17.09.2010
CALCULATION OF TRANSVERSE VIBRATIONS OF SHIP SHAFTS TAKING INTO ACCOUNT THE LENGTH AND RIGIDITY OF STERN-TUBE BEARINGS
V. А. Mamontov, A. R. Ruban, N. V. Kulichkin, A. A. Khalyavkin
Own frequencies of transverse vibrations of shafts are considered in the paper. The existing research methods of transverse vibrations of ship shafts are analyzed. The received values were compared with the results of calculations of shafts taking into account the length and rigidity of stern-tube bearings.
Key words: propeller shaft, transverse vibrations, own frequency.
