Технологичность и повышение ее уровня для фланцевых соединений судовых валопроводов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.643.412-192:629.12.037.4

В. В. Комаров

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ И ПОВЫШЕНИЕ ЕЕ УРОВНЯ ДЛЯ ФЛАНЦЕВЫ1Х СОЕДИНЕНИЙ СУДОВЫ1Х ВАЛОПРОВОДОВ

Фланцевые соединения валов до настоящего времени остаются недостаточно отработанными по признакам монтажной технологичности. В первую очередь проблема касается применения призонных болтов. Их постановка связана со значительными затратами времени и труда на механическую и слесарную обработку отверстий, проектированием и изготовлением специальных приспособлений для запрессовки и выпрессовки болтов. При центровке возникают затруднения по созданию шарнирно-сопряженных фланцев, которые необходимы для формирования технологических участков в составе главной установки судна1. В условиях ремонта повторное использование призонных болтов практически исключается из-за утраты ими своих функциональных качеств.

Необходимость в постановке призонных болтов должна определяться специальным расчетом, учитывающим полный состав действующих нагрузок и их величины.

К числу систематических нагрузок будут относиться такие, как крутящий момент от главного двигателя, сила упора от гребного винта (при работе судна на задний ход), изгибающий момент и перерезывающая сила от весовых нагрузок валопровода и его монтажных искривлений при центровке.

Кроме систематических, на фланцевые соединения могут действовать и нагрузки случайного характера: от общего изгиба корпуса судна на волнении и при изменении его загрузки; от температурных перепадов в днищевых и палубных перекрытиях корпуса и др.

Определенное влияние на нагруженное состояние фланцевых соединений могут оказывать крутильные, поперечные и продольные колебания валопровода.

Исследования [1, 2] показывают, что нагрузки случайного характера при общем изгибе корпуса судна незначительны по величине, а нагрузки от всех видов колебаний могут быть компенсированы или локализованы на стадии проектирования за счет специальных конструктивных решений, связанных с демпфированием.

Таким образом, решение задач по работоспособности фланцевых соединений может быть ограничено рассмотрением только систематических нагрузок, показанных на рис. 1.

Рис. 1. Нагрузки на фланцевом соединении

От действия крутящего момента Мкр на каждом из г крепежных болтов будет действовать срезывающая сила

Лр1 = 2МКр / Б • г, (1)

где Б - диаметр окружности для болтов (рис. 1).

1 ОСТ 15.335-85. Валопроводы судовые. Центровка на ремонтируемых судах. Технические требования и типовые технологические процессы.

Сила упора от гребного винта Руп (при работе судна на задний ход) принимается равномерно распределенной по крепежным болтам:

Рр1 = Руп / г . (2)

Наиболее сложной является оценка влияния на сборку фланцевого соединения изгибающего моментаМиз и перерезывающей силы Q [5]. Необходимо рассматривать из всех имеющихся на валопроводе фланцев такое соединение, на котором влияние Миз и Q на затяжку болтов является наибольшим, и принимать во внимание не только построечные величины Миз и Q, но и их эксплуатационные изменения за межремонтный период.

Анализ перчисленных обстоятельств показывает, что Миз и Q могут быть определены по данным расчетной подготовки центровки главной установки (по ОСТ 15.335-85).

В частности, согласно указанным расчетам для отцентрованного валопровода, предусматривается определение следующих параметров:

— номинальных опорных реакций Ян и изгибающих моментов в материале валов на опорных сечениях Мгн, являющихся результатом влияния сил тяжести валов и навешиваемых деталей и узлов (а при необходимости и таких эксплуатационных факторов, как гидродинамическая неуравновешенность гребного винта, изгиб корпуса судна и др.);

— значений дополнительных опорных реакций АЯ и изгибающих моментов АМг-, отражающих дополнительный изгиб валопровода в связи с устранением несоосностей, возникающих за эксплуатационный период. Они являются функциями параметров несоосности

АЯ = (аг5 + Ьф; АМг = (Д5 + Дф), (3)

где / - номер опоры валопровода.

Согласно ОСТ 15.335-85, в объем расчетной подготовки включается также определение диапазона устраняемых несоосностей. Он рассчитывается для условия неизменного положения главного двигателя на фундаменте и обычно представляется номограммой вида, приведенного на рис. 2.

Рис. 2. Диапазон несоосностей, устраняемых при центровке

Для узловых точек (а, Ь, с, с1, е) номограммы могут быть рассчитаны АЯ и ДМ; а с учетом номинальных значений Ягни Мгн - определены суммарные значения указанных нагрузок (табл.):

Я = [Ян +АЯ]; Мг = [Мн + АМг]. (4)

Таким образом, для любой конструктивной схемы валопровода на каждом из фланцевых соединений становятся известными численные значения перерезывающих сил и изгибающих моментов:

бфл; = [б|л; +Абфл; ]; М фл;- = [Мф,- +АМфл; ] (5)

(/ - номер фланцевого соединения), а из их числа установлены экстремальные значения

тах(тт)2фл;- и тах(тт)Мфл/-. (6)

Нагружение валов и опор отцентрованного валопровода

№ опоры Номинальная нагрузка Дополнительное нагружение Суммарное нагружение

в точке а в точке б в точке а в точке б

Б2 Е'Б 2ІМБ 2 д^Б 2І ДМБ 2 - - Кб2 - -

Б1 кБ1/МБз1 ДкБ\1 ДМБ1 - - Кб1 - -

1 К" /М" дК1/ дмн Значения по ф-ле (3) - Л1 - Значения по ф-ле (4)

2

п Кн/МП дкн/ дмпн - - Кп - -

Следует иметь в виду, что нагружение фланцевых соединений силами и моментами по формуле (5) будет носить экстремальный характер. В случае превышения действительных значений ф и 5 над их допускаемыми значениями в узловых точках номограммы (т. е. при выходе действительных ф и 5 за пределы поля номограммы) валопровод утрачивает свою работоспособность, поскольку суммарные значения нагрузок на опорах Я = [ Я + АД ] и (или) изгибающих моментов в валах М1 = [Мгн + АМг- ] не будут удовлетворять допускаемым пределам.

Считая, что центрирующие бурты и выточки на торцах фланцев перерезывающую силу не воспринимают, срезывающее усилие на каждом из болтов от тах(тт)2фл/- будет равно:

тах(тт)<2фл/

Рср2 = '

(7)

При действии изгибающего момента (6) одна половина крепежных болтов работает на растяжение, а другая - на разгрузку. Нагрузка, приходящаяся на один болт, в этом случае будет равна:

Рр2 =-

4шах(шіп)М(

фл/

Б • г

(8)

В общем случае каждым из крепежных болтов на фланцах будут восприниматься следующие нагрузки:

- срезывающие по (1) и (7), принимаемые совпадающими по направлению действия:

Рср = (Рср1 + Рср2) =

растягивающие по (2) и (8):

Рр = (Рр1 + Рр2) =

2МКр шах(шіп)Є,

Б • г

+

фл/

р 4шах(шіп)М(

-+-

фл'

Б • г

(9)

(10)

Растягивающая нагрузка рр может быть эквивалентно преобразована (приведена) в нагрузку в стыкуемой плоскости фланцев:

Рпр = Рр • /,

(11)

где / » 0,15—0,20 - коэффициент трения на стыкуемых поверхностях фланцев. Эквивалентная нагрузка на всех болтах с учетом формул (9)-( 11) равна:

Р =

экв

2М

кр

Б

+ шах(шіп)<2,

фл/

+

Р™ +

4шах(шіп)М

фл/

Б

/.

(12)

г

г

г

Суммарному действию активных растягивающих и срезывающих нагрузок Рэкв должны противодействовать силы трения на стыкуемых поверхностях фланцев Ятр от затяжки всех крепежных болтов и силы среза Яср, создаваемые только призонными болтами, т. е.

к • Рэкв = (Ктр + Кcp),

ср

где к = 1,25-1,50 - коэффициент запаса.

Силы трения Ятр и среза Яср с учетом размеров болтов и их материалов равны [3, 4]:

Ятр 0,47-106 ^2нст • г • / , Яср 0,20 •Ю6 атР • п,

(13)

(16)

(17)

где ёвн - внутренний диаметр резьбы болта; от - предел текучести материала болта; Р - площадь поперечного сечения тела призонного болта; п - число призонных болтов.

Из (13)-(15) определяется потребное количество призонных болтов на фланцах:

п =

[к • Рэкв - Ктр ]

0,20 -106 ст • Р

(18)

Усилие затяжки крепежных болтов зависит от соотношения нагрузок в числителе (16) и равно:

- при [к • Рэкв — Ятр ] ^ 0 - Рзат = Ятр / / • г ;

- при [к • РэКв — ЯТр ] < 0 - Рзат = к • РэКв / / • г . (17)

При известных значениях Рзат по формуле (17) может быть рассчитан момент затяжки [6]:

М = Р

зат зат

(І.

ср

2

тР

--------+ -

я 0,866

+ т т

У3 -^0)

3(^2 - ^02)

(18)

где йср - средний диаметр резьбы; 5 - шаг резьбы; цр ~ ^т ~ 0,15 - коэффициенты трения на резьбе и торце гайки; й и й0 - размеры по схеме на рис. 3.

С ростом мощности главных установок увеличиваются не только размеры валов, фланцев и крепежных болтов, но и усилия затяжки (17) и моменты затяжки (18). Их величины могут достигать Рзат = (1-5) 103 кН и Мзат = (100-150) кН • м. Их практическая реализация представляет собой непростую технологическую проблему [2]. В реальных судовых условиях указанной величины Мзат не может быть создан ни вручную (из-за ограниченности рабочего пространства и создаваемых усилий на ключе), ни с помощью механизированных приспособлений (из-за их размеров и условий установки).

По технологическим соображениям могут оказаться неприемлемыми и гидродомкраты для вытяжки болтов перед затяжкой гаек (из-за невозможности их одновременной установки на всех болтах).

Ряд затруднений возникает и при использовании теплового метода постановки болтов. Предварительные расчеты и анализ показывают, что нагрев необходим до ^ ~ 200 °С для болтов и гаек одновременно (чем обусловливается использование только электронагревательных устройств); требуются повышенные меры предосторожности и др.

Устранение затруднений или снижение их уровня по сборке фланцевых соединений может быть связано со специальными конструктивными мерами. Одной из таких мер может явиться применение буртов и выточек на торцах вместо традиционной цилиндрической формы в форме прямоугольных, квадратных или треугольных фигур. При этом, по условиям спаривания валов и образования шарнирно-сопряженных фланцев на границах технологических участков (для целей центровки), центрирующие бурты и выточки цилиндрической формы могут быть сохранены (рис. 4).

Применение фигурных буртов и выточек позволит осуществлять передачу крутящего момента и перерезывающей силы без использования соответствующей доли сил трения на фланцах, создаваемых затяжкой всех болтов, и сил среза на призонных болтах.

Болты на фланцах в этом случае необходимы только для создания сил трения с целью противодействия растягивающим нагрузкам от силы упора Руп на гребном винте и изгибающих моментов от сил тяжести валов и монтажных искривлений валопровода при его центровке.

Приведенное конструктивное решение позволит ни только исключить призонные болты на фланцах, но и значительно улучшить условия труда исполнителей сборки, повысить качество работ и надежность в эксплуатации. Некоторое конструктивное усложнение фланцев и увеличение трудоемкости их обработки будут компенсированы за счет положительного эффекта в связи с повышением уровня технологичности фланцев и эффективности сборочных операций.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности оценки работоспособности фланцевых соединений валопроводов аналитическим методом и позволяют обоснованно исключать или назначать призонные болты в необходимом количестве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шиманский Ю. А. Исследование главнейших факторов, влияющих на работу судовых валопроводов: Сб. ст. по судостроению. - Л.: Судпромгиз, 1954. - 35 с.

2. Яценко В. С. Эксплуатация судовых валопроводов. - М.: Транспорт, 1968. - 171 с.

3. Справочник по технологии судомонтажных работ / под ред. А. А. Моисеева. - Л.: Гос. союз. изд-во судостр. пром-сти, 1961. - 728 с.

4. Аляев А. Н., Соболев Ф. П. О применении призонных и обычных болтов для крепления механизмов на судах // Техн. эксплуатация флота. Судоремонт и судостроение. - 1973. - Вып. 121. - М.: Транспорт. - С. 39-46.

5. Лысенков П. М. Оценка надежности фланцевых соединений судового валопровода // Судостроение. -1982. - № 11. - С. 35-36.

6. Новиков М. П. Основы технологии сборки машин и механизмов. - М.: Машиностроение, 1969. - 632 с.

Статья поступила в редакцию 1.09.2008

PROCESSABILITY AND INCREASING OF ITS LEVEL FOR FLANGE COUPLING OF SHIP SHAFTS

V. V. Komarov

The defects of existing flange coupling of shafting are marked. The structure of working loadings is given. The methods of the solution of the task on determination of the required quantity of fitter bolts or their deletion are stated. The design formulas for defining efforts of bolts tightening are received.

Key words: ship shafting, flange coupling, loading, fitter bolts, proc-essability.