CC BY
56
УДК 629.12.037.4
А. И. Миронов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ ВАЛОПРОВОДОВ СУДОВ
Судовой валопровод - часть двигательно-движительной установки судна (или корабля), предназначенная для передачи крутящего момента и восприятия осевого усилия, возникающих при её работе [1].
Валопроводы судов представляют собой упругую систему, подвергающуюся воздействию сложной системы как стационарных, так и нестационарных нагрузок, многие из которых ещё недостаточно изучены.
Проблема обеспечения надёжности работы валопроводов и дейдвудных подшипников при эксплуатации судов, особенно крупнотоннажных, является в настоящее время одной из наиболее важных и сложных и не имеет до сих пор удовлетворительного решения. Практически срок эксплуатации крупных судов без ремонта стал определяться или зависеть почти исключительно от технического состояния дейдвудного узла.
Проведёнными расчетными, конструктивными и технологическими мероприятиями удалось повысить надёжность работы валопровода. Однако эти мероприятия не устранили многие причины, снижающие надёжность работы валопровода, а используемые расчетные схемы не позволяют объяснить целый ряд явлений, имеющих место при работе валопровода.
При расчете параметров центровки валопровод, как правило, представляется неразрезной балкой ступенчато-постоянного сечения, опирающейся на «точечные опоры» (рис. 1).
¥
(
Мглм
п
І7І
я,
и
АДі
¥
А Д2
У/Л
и
V//
ГГТТІТУГТГТТІ Ьггі ■■ гш
....6 Г о.........о
гг
////
Рис. 1. Расчетная схема валопровода: Мгдм - гидродинамический момент;
¥в - вес винта; ¥\ - вес устройств, установленных на валу;
Я, - нагрузка, учитывающая собственный вес вала;
Д1, Д2 - виртуальные «точечные опоры», заменяющие реальные дейдвудные подшипники
Замена длинных дейдвудных подшипников виртуальными «точечными опорами» изменяет физическую модель валопровода:
— реальный валопровод представляет собой систему с бесконечным числом степеней свободы;
— расчетная схема на «точечных опорах» имеет конечное число степеней свободы.
Изменение физической модели валопровода может не только количественно, но и качественно повлиять на результаты расчета параметров центровки и укладки валов.
Рассмотрим некоторые примеры влияния упрощения расчетной схемы на результаты расчета валопровода.
Пример 1. Значения реакций «точечных опор» определяются решением следующей системы уравнений [2, с. 59]:
а11К1 + а12 К2 + а13 К3 + ... + а1пВп = АЬ а21 К1 + а22 К2 + а23 К3 + ... + а2пКп = А 2,
а31В1 + а32В-2 + а33В3 + ... + а3пВп ~ А3,
(1)
ап1В1 + ап2 В2 + ап3 В3 + ... + аппВп = А п,
где Я7 - реакции опор от всех видов нагрузок; ау - коэффициенты, рассчитываемые любыми известными методами; А7 - коэффициенты, характеризующие перемещения опор под действием всех видов нагрузок.
Используя любые (п — 2) уравнения системы (1), мы можем исключить реакции Я3, Я4 , ... Яп и получить для определения реакций Я1 и Я2 дейдвудных подшипников Д1 и Д2 систему двух уравнений:
где коэффициенты Ъп,Ъп,¿21,¿22,С и С2 зависят от Я, (7 = 3,4,..., п), расстояний между опорами и жесткостей в пролётах.
При фиксированных расстояниях между опорами каждому значению реакций Я, (7 = 3, 4, ..., п) соответствуют вполне определённые значения реакций Я1 и Я2 (единственность решения системы уравнений (2)). Таким образом, обеспечивая при укладке валов требуемые значения реакций на внедейдвудных опорах, мы автоматически как будто бы обеспечиваем значения реакций и на дейдвудных подшипниках.
В действительности, вместо фиксированных «точечных опор» Д1 и Д2, мы имеем протяженные дейдвудные подшипники, а Я] и Я2 - равнодействующие распределённых реакций в дейдвудных подшипниках, точки приложения которых зависят от многих факторов, например соосности дейдвудных подшипников, их жесткости и др.
Следовательно, коэффициенты в системе уравнений (2) имеют неопределённый характер, и, как следствие, неопределённый характер имеют значения реакций Я1 и Я2 .
Именно поэтому одному и тому же набору значений реакций на внедейдвудных опорах могут соответствовать различные значения реакций дейдвудных подшипников. В особенности это важно для носового дейдвудного подшипника, надёжно загрузить который достаточно сложно.
Тот факт, что укладка валов, обеспечивая расчетные значения параметров центровки, не всегда обеспечивает «правильную центровку» валопровода, встречается в практике его монтажа.
Пример 2. Влияние износов дейдвудных подшипников на параметры работоспособности валопровода (реакции опор и значения изгибающих моментов в сечениях валов) предложено оценивать путём построения номограмм допускаемых износов трущихся подшипниковых пар дейдвудного устройства [2, с. 86]. Для расширения поля номограммы и, тем самым, уменьшения влияния износов дейдвудных подшипников на параметры работоспособности валопровода было предложено на первом внедейдвудном подшипнике устанавливать упругие элементы [3].
Для виртуальных «точечных опор», заменяющих дейдвудные подшипники, это верно. Для длинных подшипников - нет. Во-первых, процессы изнашивания длинной поверхности (дейд-вудного подшипника) и виртуальной «точечной опоры» разные; во-вторых, длинный носовой дейдвудный подшипник «гасит» влияние упругих элементов, установленных на внедейдвудном подшипнике, на работоспособность кормового дейдвудного подшипника. А именно для разгрузки гребного вала в [3] предложено устанавливать упругие элементы.
Для исследования влияния реальной длины дейдвудных подшипников на работоспособность валопровода нами было предложено моделировать дейдвудные подшипники упругим основанием: сплошным (рис. 2, а) [4, 5] или дискретным (рис. 2, б) [6, 7].
Реакция упругого основания дЯ принималась в виде
к - жесткость дейдвудных подшипников; /п - уравнение изношенной поверхности подшипника, которое принималось в виде
(2)
дЯ =—к (у—/п),
(3)
4
п=0
Fв
Мг
Л.
ЛтшШТТЫ:
F
ПЦ
Рис. 2. Кормовой участок предлагаемой расчетной схемы валопровода: а - сплошное упругое основание; б - дискретное (ряд пружинок) упругое основание
Коэффициенты ап, характеризующие изношенную поверхность дейдвудного подшипника, могут быть определены, например, путём исследования вкладышей подшипника или расчетом при моделировании процесса его изнашивания [7].
В расчетах учитывалась длина контакта вала с дейдвудным подшипником.
Внедейдвудные подшипники моделировались «точечными опорами» жесткими или упругими, реакции которых принимались в виде
Д = Д,,+ С, (у - /), (5)
где Д - постоянная составляющая реакции; С;- - жесткость «точечной опоры»; / - начальные смещения опоры.
При необходимости в расчетную схему могут быть включены и другие параметры, например погрешности при сборке валопровода, упругие муфты и др.
Вариант расчетной схемы валопровода (на сплошном или дискретном основании - рис. 2) выбирается в зависимости от решаемой задачи. Например, при моделировании процесса изнашивания дейдвудного подшипника или переменной по длине подшипника его жесткости к удобнее использовать схему по рис. 2, б, в других - по рис. 2, а.
При разработке алгоритма решения задач использовались матричные методы строительной механики. Полученный на основе матричных методов алгоритм решения задачи является достаточно простым, универсальным при использовании, компактным, легко модернизируется при необходимости учета дополнительных факторов.
Используя усовершенствованные нами расчетные схемы валопровода (рис. 2), мы разработали алгоритмы и программы для ЭВМ-решения различных задач по исследованию влияния длины дейдвудных (кронштейновых) подшипников на работоспособность валопровода. Основные результаты этих исследований можно свести к следующему:
1. Если равнодействующую реакцию на носовом подшипнике с достаточной для практики точностью можно считать приложенной посередине подшипника, то точка приложения равнодействующей реакции на кормовом подшипнике (положение виртуальной «точечной опоры») может меняться в широких пределах в зависимости от жесткости подшипника, величины износа вкладыша, веса винта и др.
2. Величина максимального изгибающего момента в сечениях вала над кормовым дейдвудным подшипником меньше до 20 % по сравнению с расчетом на «точечных опорах».
3. Установка упругих элементов на первой внедейдвудной опоре не даёт желаемого эффекта по снижению нагруженности вала вследствие износа дейдвудных подшипников.
4. В результате износа вкладышей дейдвудных подшипников предельное состояние вало-провода наступает не при нарушении условия прочности
£[°]
(6)
а при нарушении условия
/к £[/ ]к . (7)
Здесь атах - максимальное напряжение в сечении вала; [а] - допускаемое напряжение для материала вала; /к - максимальный износ вкладыша; [/ ]к - допускаемый износ вкладыша [8, с. 85].
Полученный результат соответствует первому закону термодинамики: «Любая изолированная система, предоставленная сама себе, стремится занять положение с минимальной потенциальной энергией», т. е. изнашивание дейдвудных подшипников должно происходить так, чтобы изменение изгибающих моментов в сечениях валов и, как следствие, изменение нормальных напряжений было бы минимальным.
5. Из эксплуатационных факторов наиболее существенное влияние на статическую прочность оказывает гидродинамический момент. Однако его влияние не распространяется далее первого внедейдвудного подшипника. Остальные - изгиб на волнении и под действием груза, изменения температуры, релаксация сварных швов и т. д. - оказывают много меньшее воздействие, и их влияние на прочность валопровода можно не учитывать.
6. Большая жёсткость валов и дейдвудных подшипников изменяет деформацию вала по сравнению с «точечными опорами», поэтому особое значение приобретает точность монтажа длинных дейдвудных подшипников. Относительное смещение дейдвудных подшипников на о,о5 мм может существенно изменить положение и нагруженность вала вплоть до отрыва вала от носового дейдвудного подшипника, т. е. привести к «неправильной центровке».
Проведённое исследование является статическим. Однако суда представляют собой динамическую систему. Известно, что учёт динамических нагрузок может привести к новым качественным и количественным результатам. Выполненный нами предварительный анализ влияния изнашивания дейдвудных подшипников на поперечные колебания валопровода показал, что изменение характера опирания гребного вала в дейдвуде вследствие износа вкладышей дейдвудных подшипников может оказывать качественное воздействие на характер колебаний вала [9].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Подсевалов Б. В., Фомин А. П. Словарь стандартизированной терминологии в судостроении. - Л.: Судостроение, 1990. - 240 с.
2. Комаров В. В., Курылёв А. С. Валопроводы рыбопромысловых судов. - Ч. 1. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 1997. - 166 с.
3. Гаращенко П. А. Оптимизация и стабилизация параметров центровки судовых валопроводов // Триботехника на водном транспорте (Транстрибо-2001): Тр. I Междунар. симпоз. по транспортной триботехнике, 2-7 июля 2001 г., С.-Петербург. - СПБ.: Изд-во СПБГТУ, 2001. - С. 153-156.
4. Миронов А. И., Вязовой Ю. А. Работоспособность комплекса «гребной вал - дейдвудные подшипники» судов типа «Каспий» // Рыбное хозяйство. - 1981. - № 9.
5. Миронов А. И. Сравнение результатов расчёта технологических параметров валопровода на точечных и протяжённых опорах // Судостроение и судоремонт: сб. тр. - Астрахань: Изд-во Астрахан. техн. инта рыбной пром-сти и хоз-ва, 1990. - С. 23-25.
6. Миронов А. И. Моделирование процесса изнашивания дейдвудных подшипников // Триботехника на водном транспорте (Транстрибо-2001): тр. I Междунар. симпоз. по транспортной триботехнике, 2-7 июля 2001 г., С.-Петербург. - СПБ.: Изд-во СПБГТУ, 2001. - С. 64.
7. Миронов А. И. Влияние изнашивания дейдвудных подшипников на параметры центровки валопрово-дов судов // Образование, экология, экономика, информатика: тр. VIII Междунар. конф. «Нелинейный мир», 15-20 сентября 2003 г., г. Астрахань. - Астрахань: ИПЦ «Факел», 2004. - С. 194-198.
8. ОСТ 5.4078-73. Валопроводы надводных судов и кораблей. Монтаж. Технические требования. - Введён с 01.01.75. - М.: Изд-во ЦНИИТС, 1974. - 210 с.
9. Миронов А. И., Халявкин А. А. О возможности возникновения параметрических колебаний в системе валопровода // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2010. -№ 1. - С. 131-135.
Статья поступила в редакцию 8.10.2010
PERFECTION OF THE SETTLEMENT SCHEME MARINE SHAFT LINES
A. I. Mironov
The settlement schemes considering length of deadwood bearings are offered. It is shown that replacement of deadwood bearings with fictitious support qualitatively changes the results of calculation. Influence of various factors on working capacity of shaft lines is investigated.
Key words: shaft line, the settlement scheme, the working capacity analysis.
