35УДК 621.9
Петрунин Даниил Константинович Petrunin Daniil Konstantinovich
студент-магистр master student
Дальневосточный федеральный университет
FEFU
ВИДЫ ИЗНОСА ГРЕБНЫХ ВАЛОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ
TYPES OF PROPELLER SHAFT WEAR AND THEIR IMPACT ON OPERATING CONDITIONS
Аннотация. По статистике литературных данных уязвимым по разрушению валов по линии валопровода является гребной вал. Основными видами его разрушений являются трещины, а основными причинами могут быть низкая усталостная прочность, коррозия, износ при трении подшипников, фретинг-изнашивание в соединении с винтом. Представлено общее описание причин поломок и методология анализа отказов. Несколько репрезентативных примеров усталостного разрушения в критических точках гребного вала. Крутильные колебания и геометрические концентрации напряжений вала определены как наиболее распространенная причина усталостного разрушения. Подчеркивается важность постоянного мониторинга, измерения и сбора данных о показателях усталости и ориентировочных событиях, влияющих на развитие усталости. Обсуждаются методы, используемые при анализе отказов, и даются предложения по улучшению.
Abstract. According to the statistics of the literature data, the propeller shaft is vulnerable to the destruction of shafts along the line of the shaft pipeline. The main types of its destruction are cracks, and the main reasons can be low fatigue strength, corrosion, wear during bearing friction, fretting-wear in connection with the screw. A general description of the causes of breakdowns and a methodology for analyzing failures is presented. Several representative examples of fatigue failure at critical points of the propeller shaft. Torsional vibrations and geometric stress concentrations of the shaft are identified as the most common cause of fatigue failure. The importance of continuous monitoring, measurement and collection of data on fatigue indicators and indicative events affecting the development of fatigue is emphasized. The methods used in the bounce analysis are discussed and suggestions for improvement are given.
Ключевые слова. Судовой гребной вал, износ, усталостное разрушение.
XVМеждународная научно-практическая конференция Keywords: Ship's propeller shaft, wear, fatigue failure.
Введение
Двигательная установка играет ключевую роль на борту судов. Типичная морская двигательная установка состоит из следующих основных частей: главного двигателя, приводного устройства, морского вала и гребного винта, как показано на рис.1. Что касается усталости, то главный двигатель сам по себе является сложной единицей. Он представляет собой источник вибраций (импульсная работа) для всего корабля, а также для двигательной установки. Здесь более подробно будет рассмотрен приводной вал.
Двигательный вал во время работы подвергается различным видам нагрузки, а именно крутящему моменту, изгибающему моменту, осевой силе тяги и поперечным нагрузкам (гравитационным и центробежным силам). Рабочая среда двигательной установки характеризуется значительными изменениями температуры и влажности, агрессивной атмосферой (солевой и/или масляный туман), длительным перерывом в работе (несколько месяцев) и изменением амплитуды нагрузки. Риск отказов двигательной установки дополнительно возрастает с суровостью морских и погодных условий, поскольку они оказывают непосредственное влияние на динамику изменения нагрузки. Все вышесказанное оказывает непосредственное влияние на усталостные характеристики и срок службы приводного вала.
•У С
1Ш!
IT
Л
т
Ш)
Рис. 1 - Типичные элементы судовой двигательной установки
Доминирующей формой вибрации являются крутильные колебания. Характеристики крутильных колебаний вала движителя зависят от системы и имеют сильную корреляцию с собственными частотами колебаний вала.
Рис. 2 - Схема элементов и нагрузок двигательной установки
Крутильные колебания в судовых двигательных установках имеют большое значение и рассматриваются различными классификационными обществами судов путем определения критериев определения размеров вала для предотвращения усталостного разрушения и локальных деформаций [1-4].
Причины разрушений Как правило, усталостное разрушение вала вызвано износом, коррозионными воздействиями, несовершенством материала, плохим качеством материала, перегрузками, концентрацией напряжений и ударными нагрузками, которые снижают усталостную прочность валов. Наиболее частой причиной отказа двигательных валов на борту судов являются экстремальные крутильные вибрации, вызванные основными дизельными двигателями. Нагрузки более низкого уровня, которые являются достаточно низкими по сравнению с номинальными расчетными значениями, могут вызвать усталостное разрушение, которое произойдет в зонах концентрации напряжений на валу (скругления,
XVМеждународная научно-практическая конференция фаски, замочные скважины и т.д.) Из-за динамического характера нагрузки на
вал.
Крутящий момент является доминирующей нагрузкой в обычных двигательных установках с дизельными низкоскоростными двигателями. Тем не менее, дискретное количество лопастей гребного винта, упругие муфты, соединения элементов вала и несоосность вала могут вызывать пульсации нагрузки даже в установившихся условиях плавания. Амплитуда пульсаций изменяется в зависимости от реальных морских условий, изменения гидродинамического сопротивления корпуса и погружения гребного винта. Максимальные нагрузки крутящего момента обычно возникают в момент остановки судна. Параметрами, которые могут увеличить крутильную вибрацию вала двигателя, являются жесткость муфты, жесткость вала, демпфирование муфты и демпфирование вала.
Вдоль торсионной нагрузки вал судового движителя также нагружается изгибающими моментами из-за гравитационных эффектов. Сочетание двух типов нагрузок приводит к многоосному напряжению. Изменение условий нагрузки во время эксплуатации может иметь значительные отклонения по сравнению с расчетными значениями. Вал подвергается переменным циклическим нагрузкам на кручение и изгиб, которые могут вызвать механизмы высокой циклической усталости.
Типичные отказы судовых двигательных валов должны систематически изучаться на основе экспериментальных испытаний в ходе реальных исследований. Всесторонние результаты, полученные в результате таких исследований, должны включать базу данных знаний как для инженеров, так и для студентов.
Методология анализа отказов
Классификационные общества предписывают процедуры и основные уравнения для проверки несущей способности валов в качестве методологии оценки усталостной долговечности на основе S-N [5]. Даже несмотря на то, что морские двигательные шахты открыты для широкого спектра нагрузок, только
«Научные междисциплинарные исследования» некоторые из доминирующих нагрузки должны быть рассмотрены, например,
начать в полной нагрузке до остановка циклов (малоцикловая усталость, N<104),
обратный изгиб и крутильных колебаний при непрерывном цикле
(многоцикловой усталости, N>3*106), переходного состояния и проходя через
зарешеченное скорость колеблется цикла (прямой сочетании силовых установок)
и заднего хода, когда произошла аварийная остановке цикла. Анализ отказов
выполняется как анализ первопричин с учетом всех возможных причин в трех
основных группах, а именно на этапе проектирования, технологического
процесса и эксплуатации жизненного цикла вала. Напряжения, вызвавшие
разрушение, могут быть механическими, тепловыми или вызванными
воздействием коррозии. Сам перелом может проявлять характерные признаки
хрупкого, пластичного или усталостного разрушения. Надежность судовых
двигательных установок определяется на основе метода анализа дерева
неисправностей, который учитывает надежность основных компонентов систем
(главного двигателя, трансмиссионного оборудования, валов и гребных винтов)
по отдельности [6]. Хотя этот метод может оценить надежность комплексной
морской двигательной установки в определенный период времени, ему не
хватает надежных прогнозов на весь срок службы системы.
Процедура анализа отказов должна состоять из описание отказов, запись истории отказов (описание номинального состояния системы/конструкции, определенного на этапе проектирования, фактическое рабочее состояние до отказа, частоты колебаний нагрузки и т.д.), изложение гипотезы отказа (предполагающей механизмы отказа на основе предварительных проверок), инструментальный анализ (определение плана расследования, сбор образцов, тестирование и анализ, моделирование и т.д.), описание результатов расследования и заявление о причине отказа (или причинах). Если инструментальный анализ и исследование могут исключить термические напряжения, коррозионное воздействие и механические свойства материала в качестве причины разрушения, усталость остается наиболее вероятным виновником разрушения. Анализ химического состава, микроструктурная
XVМеждународная научно-практическая конференция характеристика, фрактография, измерение твердости и моделирование методом
конечных элементов являются общими процедурами, используемыми при
анализе усталостного разрушения.
Знания, полученные в ходе анализа примеров усталостного разрушения, должны помочь в прогнозировании и поиске возможных неисправностей в двигательной установке до окончательного усталостного разрушения, чтобы обеспечить максимально возможную надежность такой важной судовой системы. Надежность двигательной установки напрямую приводит к повышению безопасности плавания и снижению эксплуатационных расходов судов.
Повреждения гребных валов Галтели
Скругления, конусности и фаски в геометрии вала также представляют собой геометрические концентрации напряжений. Неправильная конструкция этих элементов может привести к усталостному разрушению. тематические исследования переломов, инициированных на этом этапе [9], [10] показывают, что усталость из-за циклической нагрузки на кручение и изгиб, с трещиной, которая возникает в нескольких точках на плечах скругления на валу, постепенно уменьшая площадь несущей нагрузки вала по мере его роста и, наконец, приводя к внезапному отказу во время перегрузки, как показано на рис.3. Анализ для этого исследования состоял из анализа химического состава, микроструктурной характеристики, фрактографии, измерений твердости и моделирования конечных элементов.
Рис.3 - Форма трещины при разрушении вала [9]
Рис 4 - Форма трещины при одноосном усталостном разрушении [13]
Неоднородность материала вала может дополнительно помочь распространение трещин. В этом случае был проведен визуальный и макроскопический контроль с последующим химическим анализом материала, измерением твердости, анализом микроструктуры оптического и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с рентгенодисперсионным анализом частиц под СЭМ.
Зона межоблицовочного покрытия В практике эксплуатации валов наблюдались частые нарушения гидроизоляции межоблицовочного участка вала с последующим развитием коррозионных и коррозионно-усталостных процессов. Основной причиной нарушения гидроизоляции у торцов облицовки следует считать круговые и
XVМеждународная научно-практическая конференция осевые смещения облицовки относительно вала создающие коррозионные процессы.
Ступица гребного винта
Ненормальная работа винта с помощью одной нерабочей деформированной лопасти может генерировать одноосную силу, которая колеблется один раз за вращение в последовательном режиме. поперечное направление поперек вала. Флуктуирующая сила создает пару, которая может вызвать усталостное разрушение ступицы гребного винта [14]. Одноосный тип разрушения характеризуется усталостным разрушением с одной точкой зарождения, которое прогрессирует по валу со стороны, к которой прилагается усилие, и приводит к окончательному разрушению при перегрузке, происходящему на противоположной стороне от колеблющейся силы. В ходе анализа использовались визуальный контроль, измерения выравнивания осей деталей, микроскопическое металлургическое исследование, измерения твердости и ультразвуковое сканирование.
Несоосность вала
Выравнивание линии карданного вала очень важно для того, чтобы избежать создания вибрационной нагрузки. Тепловые нагрузки, создаваемые в главном двигателе, могут привести к смещению вала двигателя [15, 16], что, в свою очередь, создает вибрационную нагрузку на карданный вал. Модели термической деформации существующих производителей двигателей могут быть слишком простыми, чтобы охватить весь температурный диапазон, испытываемый двигателем во время эксплуатации, поэтому возникает необходимость в специализированном программном обеспечении [16]. Из-за сложности процессов термической деформации численное моделирование представляется необходимым
Заключение. Обобщены и описаны распространенные отказы судовых двигательных установок. В качестве основных причин усталостного разрушения двигательных валов были определены изменения постоянной нагрузки,
«Научные междисциплинарные исследования» приводящие к колебательным крутильным колебаниям в сочетании с
геометрическими областями высокой концентрации напряжений. Показано, что
в качестве плохо спроектированных геометрических форм соединений
конкретных сдвигающих элементов начальные точки образования усталостных
трещин, особое внимание должно быть уделено их размерам при
проектировании. Постоянный мониторинг, измерение и сбор данных о
показателях усталости и ориентировочных событиях, влияющих на развитие
усталости, очень важны для формирования базы знаний, которая может служить
основой для совершенствования текущих процедур проектирования и
технического обслуживания.
Библиографический список:
1. Det Norske Veritas. DNV GL Правила классификации: Суда (RU-SHIP).
2017.
2. Правила строительства и классификации стальных судов. 2016.
3. Регистр судоходства Ллойда. Правила и положения по классификации морских судов. 2017.
4. Международная ассоциация классификационных обществ. IACS M68 Размеры приводных валов и их допустимые напряжения крутильных колебаний. 2012.
5. Det Norske Veritas. CN 41.4 - Расчет валов в морских условиях. 2013.
6. Dong C, Yuan C, Liu Z, Yan X. Исследование надежности морской двигательной установки на основе анализа дерева неисправностей. Adv Shipp Ocean Eng 2013; 2: 27-33.
7. Хан Х-С. Анализ усталостного разрушения шпоночного паза входного вала редуктора, соединяющего дизельный двигатель, вызванного крутильной вибрацией. Eng Fail Anal 2014; 44: 285-98.
8. Han HS, Lee KH, Park SH. Параметрическое исследование для выявления причина высокой крутильной вибрации двигательного вала в корабле. Eng Fail Anal 2016; 59: 334-46.
XVМеждународная научно-практическая конференция
9. Ситтипонг С, Товатана П, Ситтичароенчай А. Анализ отказов гребных
валов из металлических сплавов. Mater Today Proc 2017; 4: 6491-4.
10. Фонте М., де Фрейтас М. Анализ отказов гребного вала главного двигателя морского судна: тематическое исследование. Eng Fail Anal 2009; 16: 1940-7.
11. Арисой, CF, Башман G, Шешен MK. Отказ гребного вала парусника из нержавеющей стали 17-4 PH. Eng Fail Анальный 2003; 10: 711-7.
12. Дымарский, С. Анализ Неисправности Соединительных Болтов Судового Валопровода; Том 4, 2009.
13. Муравский, Л. Тепловое смещение оси коленчатого вала тихоходного судового двигателя. Бродоградня 2016; 67: 17-29.
14. Муравский, Л. Тепловое взаимодействие между корпусом главного двигателя и корпусом судна. Ocean Eng 2018; 147: 107-20.
15. Муравский, Л. Анализ выравнивания линии вала с учетом гибкости и деформаций конструкции судна. Mar Struct 2005; 18: 62-84.
