автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Конструктивно-технологические основы создания подшипников качения для судового валопровода с повышенными эксплуатационными характеристиками

На правах рукописи

Гаврилюк Роман Николаевич

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ДЛЯ СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА С ПОВЫШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05.08.04 - Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011

005006686

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций»

Научный руководитель - доктор технических наук,

старший научный сотрудник, Герасимов Николай Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Чистов Валентин Борисович

кандидат технических наук, Нестеров Владимир Георгиевич

Ведущая организация - ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственя морской технический университет" (СПбГМТУ)

Защита состоится «28» ноября 2011 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.009.04 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7, ауд. 235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

Автореферат разослан «24» октября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета доктор технических наук, профессор

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение конкурентоспособности и надежности эксплуатации отечественного военно-морского, грузового и гражданского флота требует внедрения новых инновационных технологий. Для поддержания и эксплуатации его в высоком техническом состоянии необходима модернизация устаревших узлов и систем, с целью повышения их надежности и долговечности.

Современные направления судостроения и судоремонта основываются на фундаментальных научных исследованиях отечественных ученых. Это, прежде всего, доктора технических наук, профессора: Веселков В.В., Чистов В.Б., Герасимов Н.И., Барышников С.О., Половинкин В.Н., Михеев Ю.В., Войников М.И., Нестеров В.Г., Абрамович С.Ф., Кравченко B.C., Меркулов В.А., Шиманский Ю.А., Гаращенко П.А. Их труды известны широкому кругу специалистов и получили высокую оценку, как в нашей стране, так и за рубежом.

Судовой валопровод является важнейшим механизмом в эксплуатации судна и представляет собой сложную систему, от которой зависит живучесть судна или корабля. Он представляет собой промежуточное звено, соединяющее главный двигатель с движителем. От эффективности работы судового валопровода зависит количество полезной подведенной мощности к гребному винту, а от подшипников валопровода зависит его надежность, эксплуатационная технологичность и эффективность работы всего судового движительного комплекса.

В диссертации определен класс первоочередных задач, подлежащих решению в исследуемой предметной области. К ним отнесены задачи разработки методов, средств и направлений в повышении надежности, долговечности и несущей способности опор судовых валопроводов.

Проблема повышения надежности и работоспособности судовых валопроводов является одной из наиболее актуальных проблем судостроения. Аварии, причиной которых являются движительные комплексы, связаны с повреждениями валов и опор. Выход из строя валопроводов наносит ущерб, во много раз превышающий стоимость поврежденного или разрушенного вала. Возникают ремонтные расходы, включающие постановку судна в док, оплату дока, стоимость сменно-запасных частей и заменяемых валов, затраты на буксировку судна. Помимо этого, происходит потеря эксплуатационной прибыли за время вынужденного простоя судна, а при проведении ремонта возникают значительные сложности и большая потеря времени при разборке и последующей сборке всех элементов валопровода.

Оценивая нынешнее состояние валопроводов, следует признать, что длительный опыт эксплуатации судов свидетельствует о том, что до сих пор наблюдаются поломки валов и часты случаи аварийного износа подшипников. Применение подшипников скольжения в опорах судового валопровода в прошлом имело многочисленных сторонников, которые находили этот тип подшипника наиболее приемлемым по причине его высокой надежности,

проверенной более чем столетней практикой эксплуатации. Однако такая точка зрения не является преобладающей среди судостроителей, и подшипники качения нашли применение не только в валопроводах малых судов со свойственными им весьма ограниченными районами плавания, но и на судах дальних рейсов, однако они не получили широкого распространения, так как имели ряд конструктивных недостатков.

Указанные факторы свидетельствуют о том, что проблема формирования высокотехнологичных и надежных конструктивно-технологичных решений, основой которых являются подшипники качения с повышенными эксплуатационными характеристиками, для повышения работоспособности валопровода, увеличения его технического ресурса и сокращения влияний эксплуатационных условий на его работу, является актуальной, особенно при постройке судов и кораблей на экспорт. Цель и задачи работы.

Целью работы является повышение уровня работоспособности валопроводов и их эксплуатационной надежности путем разработки и внедрения научно обоснованных конструктивно-технологических основ создания опорных подшипников качения.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка расчетной схемы валопровода для определения нагрузок на его подшипниках от эксплуатационных и других параметров напряженно-деформированного состояния системы. Исследование распределения нагрузки между телами качения в подшипнике с полыми роликами для определения нагрузки, действующей на центральный ролик.

2. Получение функциональных зависимостей влияния коэффициента пустотелости ролика на его упругие деформации и значения напряжений в его опасных точках.

3. Получение расчетных зависимостей для определения компонентов напряжений в зоне контакта полых роликов и зависимости определяющей увеличение горизонтального размера ролика для проектирования окна сепаратора подшипника.

4. Разработка математической модели для оценки прочностных характеристик подшипников качения судового валопровода и определения напряженно-деформированного состояния полых роликов.

5. Разработка на основе данных численного моделирования методики расчета по выбору оптимальной степени пустотелости роликов с точки зрения изгибной прочности и максимальных контактных напряжений в зависимости от действующей нагрузки.

6. Исследование усталостной прочности подшипников качения с полыми роликами и проведение серии проверочных расчетов реальных объектов, с целью подтверждения достоверности полученных результатов.

7. Исследование влияния подшипников качения с полыми роликами на энергозатраты валопровода.

8. Разработка технологии сборки и монтажа подшипников качения с полыми роликами на основе метода гидрораспора.

Объектом исследования являются судовые движительные комплексы и их элементы (валопроводы, опоры, соединения).

Предметом исследования являются способы и методы повышения долговечности и обеспечения необходимого уровня надежности подшипников судового валопровода путем повышения их эксплуатационных характеристик.

Методы исследований. Исследования проводились на основе фундаментальных положений технологии судостроения, судоремонта и организации судостроительного производства, теоретических основ проектирования и способов оценки конструкций. Основу современных методов исследований составляют аналитические методы теории упругости, планирования эксперимента и статической обработки данных. Для получения теоретических и практических решений широко использованы математическое моделирование, методы оптимизации, численные методы решения систем уравнений, численные эксперименты. При выполнении расчетных исследований использовался метод конечных элементов с оценкой устойчивости и сходимости решения.

Достоверность результатов исследований. Достоверность научных результатов подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором диссертации. Результаты применения разработанных в диссертации математических моделей отражают качественное соответствие известным частным результатам, а точность расчетов обоснована сравнением на частных задачах с известными решениями, полученными другими исследователями посредством иных аналитических методов.

Научная новизна результатов работы состоит:

1. В разработанной модели ролика и ее расчете с помощью метода конечных элементов, позволяющей установить аналитические зависимости упругой деформации полого ролика и контактного сближения колец подшипника.

2. В выведенной функции податливости полого ролика и экспериментально установленной зависимости, определяющей увеличение горизонтального размера ролика.

3. В разработке математической модели подшипника с полыми роликами и исследовании имитации изгиба судового вала для прочностной оценки конструкции и определения напряженно-деформированного состояния подшипника, позволяющей выбрать технически целесообразные и обоснованные инженерные решения при проектировании подшипника.

4. В разработанной новой конструкции опорного подшипника судового валопровода и предложении принципов принятия технических решений, направленных на обоснованное увеличение срока эксплуатации.

5. В систематическом сведении всех факторов и разработке методики расчета конструктивно-технологических параметров подшипников качения с полыми роликами в зависимости от заданной грузоподъемности опоры.

6. Впервые получены результаты количественного эффекта и выявлено повышение работоспособности судового движительного комплекса за счет применения подшипников качения с полыми роликами.

7. В проведении исследований долговечности и установления предела усталостной прочности подшипника.

8. В разработке технологии сборки подшипников качения с полыми роликами и основных требований к их монтажу.

Личный вклад автора. Автором поставлены задачи теоретических и экспериментальных исследований, получены функциональные зависимости, проведены расчетные и экспериментальные исследования, выполнен анализ и обобщение их результатов, разработана конструкция подшипника и даны рекомендации по ее эксплуатации, проведены стендовые испытания и создана методика расчета подшипников качения с полыми роликами, разработана технология их сборки и монтажа, определены технико-экономические показатели от внедрения.

Практическая значимость. В результате настоящей диссертационной работы появляется возможность формирования высокотехнологичного опорного подшипника качения для судового валопровода с повышенными эксплуатационными характеристиками, который позволяет повысить несущую способность опоры и всего валопровода в целом при его оптимальном напряженно-деформированном состоянии (НДС).

Результаты научных исследований обеспечивают практическую реализацию новой конструкции опорных подшипников взамен традиционных, которая предусматривает определенную последовательность выполнения технологических операций сборки и монтажа. Результаты выполненных исследований могут быть внедрены при проектировании и изготовлении корабельных подшипников для решения проблемы повышения уровня технологичности и эксплуатационной надежности судового движительного комплекса.

Основные выводы и положения диссертационных исследований внедрены на судоремонтных предприятиях водного транспорта и крупных судоремонтных компаниях, что подтверждено актами о внедрении. На защиту выносится:

1. Математическая модель подшипника качения с полыми роликами, позволяющая произвести прочностную оценку конструкции и определить напряженно-деформированное состояние элементов.

2. Методика расчета конструктивно-технологических параметров подшипников качения для судового валопровода, позволяющая выбрать оптимально обоснованное решение.

3. Новая конструкция опорного подшипника качения судового валопровода с повышенными эксплуатационными характеристиками.

4. Результаты исследования долговечности подшипников с полыми роликами и установленный предел усталостной прочности.

5. Технология сборки и монтажа подшипников качения с полыми роликами на основе метода гидрораспора.

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее Машиностроения России», Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 25-27 ноября 2008 г. (соискатель награжден сертификатом и свидетельством); на Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов посвященной 200-летию транспортного образования в России «Водный транспорт России: история и современность», СПб, СПГУВК, 13-14 мая 2009 г.; на 9-й Международной конференции «Пленки и покрытия - 2009», Россия, СПб, Институт проблем машиностроения РАН, СПБГПУ, 26-29 мая 2009 г.; на 2-м Петербургском международном инновационном форуме «Российская инновационная неделя» и «Российский промышленник» совместно с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, Россия, СПб, ЛЕНЭКСПО, 30 сентября - 3 октября 2009 г.; на первой Межвузовской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Балтийский экватор», Россия, СПб, СПГМТУ, 18-19 марта 2010 г.; на 4-м Международном симпозиуме по транспортной триботехнике ТРАНСТРИБО «Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте», СПб, СПБГПУ, май 2010 г.; 1-й и 2-й Межвузовских научно-практических конференциях студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России», СПб, СПГУВК, 12-13 мая 2010 и 2011г.г.; на конкурсе Инновационных проектов, проведенном в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций, 2010 г. (соискатель занял второе место в номинации «Лучший инновационный продукт» и был награжден сертификатом).

Публикации. Основное содержание диссертационных исследований опубликовано в 11 печатных работах, перечень которых приведен в библиографическом списке, помещенном в диссертации. В перечне трудов содержаться 3 работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных отечественных и зарубежных источников, состоящего из 92 наименований, трех приложений, в которых содержатся файлы, разработанные для выполнения расчетов и проведения численного эксперимента. Общий объем работы составляет 194 страницы машинописного текста, 66 рисунков, 22 таблицы. Приложения представлены на 16 страницах.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационных исследований, сформулированы основные научно-технические задачи и концептуальная направленность диссертационной работы, сформулирована цель исследований. Выполнен краткий анализ опубликованных работ в исследуемой области. Сформулированы научная новизна, практическая значимость и приведены результаты внедрения.

В первой главе рассмотрены конструктивные особенности судовых валопроводов и произведен анализ нагрузок, действующих на опоры валопровода. Обсуждены используемые расчетные схемы судовых валопроводов различных типов и классов судов и рассмотрены предложения по повышению работоспособности судовых опор и повышению их несущей способности. Сформулированы задачи исследований.

На основе проведенного анализа выполненных исследований и разработок установлено, что основные параметры опорных подшипников валопровода - воспринимаемая нагрузка, коэффициент трения и надежность, определяющие несущую способность подшипника, достаточно полно исследованы, а результаты доведены до практического использования.

Так как дальнейшее повышение несущей способности опор скольжения за счет изменения контактной поверхности ограничено напряженно-деформированным состоянием валопровода, то для решения этой проблемы представляется наиболее перспективным разработанное автором новое конструктивно-технологическое решение в виде опорного подшипника качения с полыми роликами (рис. 1).

Рис. 1. Конструктивная схема опорного подшипника качения 1 - валопровод; 2 - корпус подшипника; 3 - самоустанавливающееся кольцо;

4 - полый ролик; 5 - автоматический лубрикатор; 6 - уплотнение

Введение в конструкцию элемента в виде полого ролика, расположенного между кольцами подшипника, и создание увеличенной ширины площадки контакта за счет уменьшения жесткости соприкасающихся тел, позволяет снизить контактные напряжения и повысить долговечность опоры. За счет лучшего распределения нагрузки по телам качения, подшипник имеет более

мягкую эпюру напряжений, при этом пиковая нагрузка на подшипник сглаживается до трех раз.

Использование полых роликов позволяет также компенсировать неточности беговых дорожек колец без смещения оси вращения. По сравнению с традиционными подшипниками они менее склонны к возникновению вибрации и лучше демпфируют внешние колебания. Увеличение площади контакта приводит к снижению контактных напряжений между телами качения и беговыми дорожками колец, что также увеличивает допустимое число циклов нагружения.

Кроме того ролики позволяют изменить конструкцию сепаратора, появляется возможность увеличить количество роликов и за счет этого дополнительно увеличить грузоподъемность подшипника. Полые ролики легче целых и порождают меньшие центробежные силы, что важно при высоких частотах вращения. Также ролики отличаются большим сроком службы и более простым установлением степени предварительного натяжения. Роликовые подшипники работают с большими запасами, а признак износа подшипника -появление шума. На судне не может возникнуть необходимости немедленной остановки валопровода, как это возможно в случае выплавки подшипников скольжения.

Таким образом, подшипники качения по сравнению с подшипниками скольжения имеют определенные преимущества - обладают большой нагрузочной способностью, имеют малые коэффициенты трения, лучше приспособлены к изгибным деформациям вала. Последнее достигается за счет их самоустанавливаемости. Применение подшипников качения требует насаживания подшипника на вал с одного из его концов, в случае если подшипник не разборный, при этом вал должен иметь съемную муфту. Во избежание этого недостатка разработана конструкция разъемного подшипника. В последние годы разработано много надежных и высокотехнологичных быстроразъемных соединений валов, одним из которых является втулочно-эксцентриковое соединение, поэтому подшипник допускается выполнять как разъемным так и не разъемным. На вал устанавливается закрепительная втулка, которая дает возможность устанавливать подшипник в требуемом месте, передвигать на другое место, снимать с вала и надевать на вал неограниченное число раз без потери качества соединения.

Подводя итог рассмотрения основных предложений по конструкции подшипника, направленных на повышение его работоспособности, отметим, что практическое применение подшипников качения с полыми роликами сдерживалось тем, что до сих пор не была проверена их работа в судовых условиях с учетов влияния внешних факторов от эксплуатации судна, а также отсутствие научно обоснованных решений, положенных в основу разработки. В их число входит определение расчетных зависимостей влияния коэффициента пустотелости ролика на его упругие деформации, контактное давление и значение напряжений в его опасных точках, а также определение последовательности выполнения технологических операций сборки и монтажа.

На основании изложенного сформулированы задачи исследования.

Во второй главе разработана расчетная схема валопровода и определены деформации и напряжения изгиба в его сечениях, нагрузки на опорах и характер распределения нагрузок по длине валопровода, с учетом действия дополнительных нагрузок, возникающих от внешних факторов, которые приводят к изменению пространственного положения подшипника и увеличению нагрузок действующих на него (рис. 2).

Расчет производился с помощью программы «Вал-Оптим» - расчет оптимального расположения опор валопровода и главного двигателя. Программа предназначена для выполнения расчетов технологических параметров центровки валопроводов при разработке технологических процессов монтажа валопроводов и главных двигателей водоизмещающих судов всех типов и классов, а также может использоваться при проектировании судовых валопроводов.

ж_ 1 5______ ____? ) ______________________й- . .....,____ д.» 1

4 X :Л....{];...1Ц|..........!.......... ______

-х ■ г

Рис. 2. Расчетная схема валопровода

Учет влияния упругих деформаций корпуса судна производился для расчетных случаев: изгиб корпуса судна порожнем на тихой воде, перегиб корпуса судна при расположении на вершине волны и прогиб корпуса судна при расположении на подошве волны.

На втором этапе приведены результаты теоретических исследований физики контакта полого ролика с плоскостью. Несмотря на то, что конструкция полых роликов известна давно, в теории упругости отсутствует готовое решение для их расчета.

Задаче об упругом равновесии кругового кольца под действием приложенных к его границе сосредоточенных сил посвящен ряд работ таких ученых как: С.П. Тимошенко, Н.И. Мусхелишвили, Г.В. Колосов, М.З. Народецкий, Д.В. Вайнберг.

Однако, авторы дают только общее решение задачи. Попытка использования этих решений для оценки напряжений вызывает необходимость сложных математических преобразований и вычислений, в процессе которых не всегда может быть достигнута требуемая точность. В тех работах, где решения доведены до количественных оценок напряжений, эти оценки даны лишь для частных случаев.

С точки зрения настоящего исследования использовать полностью какое-либо из перечисленных решений без существенных переработок оказалось затруднительным. В имеющихся работах нет однозначного ответа на вопрос о выборе оптимальной степени пустотелости роликов и полученные результаты не могут быть распространены без проведения дополнительных исследований.

С этой точки зрения было проведено специальное исследование динамической прочности, жесткости и работоспособности подшипников качения с полыми роликами, с применением метода конечных элементов и анализа напряженно-деформированного состояния подшипникового узла, которое послужило основой для разработки рекомендаций по расчету, конструированию и применению подшипников с полыми роликами.

Для поставленной задачи в программном комплексе АКБУБ были построены геометрические модели роликов и колец подшипника с различными параметрами пустотелости.

На рисунке 3, представлены результаты экспериментальных исследований колец, изображенных в виде точек и кривой, построенной по методу наименьших квадратов и кривой, полученной с помощью метода конечных элементов с учетом указанных параметров, материалов контактируемых тел и упругих деформаций контактных зон.

ролика постоянной силой для разных значений коэффициента пустотелости

Для сравнения на графике построены расчетные кривые, вычисленные по другим формулам (2) и (3), а также на основании выведенной в настоящей работе (1).

г

ж

/

* 0,4

-2,2 с

е

Здесь стоит отметить, что в процессе работы была обнаружена интересная закономерность: при действии на ролики разных размеров одинаковой удельной нагрузки, при одинаковых значениях пустотелости с, включая сплошной ролик, величины вертикальных деформаций одинаковы, этот вывод подтверждается и в ряде работ других авторов.

С помощью эксперимента была определена зависимость увеличения горизонтального размера ролика для проектирования окна сепаратора:

8. = б,„

4,5с-

(1-1,1с)'

—1,5

(2)

После проведения серии экспериментальных исследований была построена зависимость упругой деформации полого ролика от коэффициента пустотелости и силы сжатия, рисунок 4.

| 1000,0

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Упруга» деформация 6, мм

Рис. 4. Зависимость упругой деформации полого ролика от коэффициента пустотелости и силы сжатия

Значительная часть исследований посвящена распределению нагрузки между телами качения и определению основных параметров: - полуширины площадки контакта

, Я-г ...

где Рр - нагрузка действующая на ролик, Н; II - радиус кольца, мм; г - радиус ролика, мм; 1 - длина ролика, мм;

М1=Vр - сумма главных кривизн поверхностей соприкасания тел.

- максимального контактного давления

Ро:

Р, R±r

¡70]/ Я-Г '

где используется константа упругих материалов контактирующих тел

1-И? 1—М-? Т) =-E-L +-Ci

Е, Ег

5,5с-

где

5,5с-

(1-1,1с) _

• функция податливости полого ролика;

(5)

(1-1,1сГ

Ei и Е2 - модули упругости контактирующих материалов; Hi и ц2 - коэффициенты Пуассона.

- нагрузки действующей на центральный ролик, определенной с помощью введенного коэффициента жесткости полого ролика

к = -

102

1,54

5,5с

(1-1,1с)\

(6)

На основании проведенных исследований сделаны выводы, что пустотелости роликов вызывают некоторое отклонение от теоретического косинусоидального закона распределения напряжений. При увеличении параметра пустотелости наблюдается выравнивание распределения нагрузки между наиболее загруженными роликами, которое объясняется увеличением податливости центрального ролика.

Третья глава посвящена исследованиям напряженно-деформированного состояния подшипников качения с полыми роликами и влияния технологических параметров на прочностные характеристики при действии статических и циклических нагрузок. Определен характер распределения контактных давлений по длине ролика, возникающих на поверхности контакта ролика с кольцом.

В опасных точках ролика определялась интенсивность эквивалентных напряжений по критерию Губера-Мизеса и максимальные касательные напряжения по критерию Треска-Сен-Венана. В результате исследований было определено, что наиболее опасной является тоска В, в которой действуют максимальные растягивающие напряжения. Однако до коэффициента пустотелости 0,3, наиболее опасной является точка С, когда напряжения в точках В и С равны. В результате были построены графические зависимости расчетных и экспериментальных напряжений от коэффициента пустотелости ролика при Р = const.

Определено, что с увеличением отношения изгибных напряжений на наружном контуре к наибольшему давлению уменьшается величина наибольших касательных напряжений сдвига по оси симметрии.

Далее проведен эксперимент ролика с различными коэффициентами пустотелости при нагружении заданным перемещением. Изменение напряжений в опасных точках ролика в зависимости от коэффициента пустотелости представлено на рис. 5.

0.3 0,4 0,5 0,8 0.7 0,8 0,9 Коэффициент пустотелости, с

: Нз^даемл я Д.. Ша

Рис. 5. Изменение напряжений в опасных точках ролика от коэффициента

пустотелости

Из графика видно, что напряжения в точке А с увеличением коэффициента пустотелости снижаются, что подтверждается теоретическими исследованиями, т.е. происходит увеличение площадки контакта и перераспределение нагрузки. Увеличение напряжения в точке Б с увеличением коэффициента пустотелости объясняется увеличением податливости роликов и большим их изгибом. Кривые В и Б имеют экстремум напряжений при с = 0,6, что послужило одним из факторов при выборе параметра пустотелости.

Полученные зависимости напряжений от коэффициента пустотелости позволяют определить при заданной нагрузке на подшипник величину наибольших эквивалентных и максимальных касательных напряжений, что позволяет перейти к оценке выносливости полых роликов по разрушению типа выкрашивания и оценке по второму типу разрушения обусловленного циклическими напряжениями на внутренней поверхности ролика.

После выявления зависимостей для определения оптимальных геометрических параметров роликов, произведена разработка новой конструкции опорного подшипника для судового валопровода, рис. 6.

Подшипник устанавливается в корпус, который может быть разъемным или неразъемным. Неразъемный корпус дешевле в изготовлении, также он обладает большей прочностью и жесткостью. В судовых условиях, где обводы

кормы сужаются и затруднен доступ к оборудованию использование разъемного подшипника более целесообразно.

Сепаратор условно не показан

I ' 4зж№

ц.... тмо......J

Рис. 6. Конструктивный чертеж нового опорного подшипника

Несмотря на перечисленные преимущества разъемных подшипников, использование неразъемного подшипника в определенных условиях более эффективно. Выбор конструкции подшипника должен носить строго индивидуальный характер, учитывая назначение и срок эксплуатации судна, длину валопровода и кол-во его опор.

Для проверки конструкции подшипника были проведены испытания модели на стенде входного контроля подшипников качения. В результате испытаний определено, что подшипник качения с полыми роликами может работать в судовых условиях, а введение конструктивных изменений в виде полых роликов увеличивает долговечность и работоспособность.

Во время проведения испытаний отрабатывались диагностические методы оценки состояния подшипников качения с полыми роликами и исследовалась работоспособность подшипника с различными вариантами смазки для составления рекомендаций по оптимизации их охлаждения и смазки.

Впервые были проведены исследования распределения напряжений по длине ролика и влияния полых отверстий на увеличение напряжений на концах роликов. Проводились эксперименты с имитацией перекоса судового вала в подшипнике качения от деформаций корпуса судна, рис.7.

Было определено, что полые ролики хорошо компенсируют перекос вала, а с увеличением пустотелости их эффективность возрастает. Перекос колец подшипника приводит к неравномерному распределению нагрузки по длине каждого ролика. Так при увеличении угла перекоса от 0 до (3=8,8-10"4 рад удельная нагрузка на сплошном центральном ролике увеличивается в 2,1 раза, а

на полых при с = 0,6 лишь в 1,5 раза. При неизбежных перекосах вала и колец подшипников погонная нагрузка на полых роликах увеличивается в меньшей степени, чем у серийных подшипников. Поэтому долговечность подшипников с полыми роликами более высока по сравнению с серийными подшипниками.

Рис. 7. Распределение напряжений по длине ролика

Для подтверждения высокой эксплуатационной надежности проведены исследования усталостной прочности роликов. Исследования сопротивлению усталости моделей полых роликов проводилось по методике ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей».

Для оценки статической прочности при сложном напряженном состоянии используют критерии прочности или разрушения, зависящие от напряженного и деформированного состояния, а также механических свойств материала. Для проведения расчета многоцикловой усталости и определения эквивалентных напряжений использовались III и IV теории прочности, а также теория Шлейхера-Надаи.

Определение допускаемых амплитуд напряжений для заданного числа циклов проводилось двумя путями: по расчетной кривой усталости, характеризующей в пределах ее применения зависимость между допускаемыми амплитудами напряжений и допускаемыми числами циклов, и по формулам, приведенным в ПНАЭ Г-002-86, связывающими допускаемые амплитуды условных напряжений и допускаемые числа циклов.

На рис. 8 представлена кривая усталостной прочности модели подшипника качения с полыми роликами на базе заданного числа циклов.

Оценка улучшения ресурса подтвердила, что при одинаковых геометрических параметрах и при одинаковой действующей нагрузке, подшипник с полыми роликами имеет более высокий ресурс.

Рис. 8. Усталостная прочность подшипников качения с полыми роликами

100 i...........*..*.. у.......--------ыЩ................:.;..;..:....,......•.....................Щ.....

îem 1Е+02 1£'Û3 ХЕчОЧ 1£*0S 1Ê«06 1€ Î 07 1Е»08 16+09 1£.10 Число циклов, N

Полученные результаты испытаний свидетельствуют о том, что усталостная прочность, а, следовательно, и эксплуатационная надежность подшипников качения выше, чем у опор традиционной конструкции.

В четвертой главе приводится методика расчета конструктивно-технологических параметров и основные положения технологии сборки и монтажа подшипников качения с полыми роликами. Проведены расчеты влияния подшипников качения на энергозатраты валопровода, а также определены технико-экономические показатели от внедрения.

Произведя серию расчетов с различными коэффициентами пустотелости построена номограмма для определения контактного давления и максимального касательного напряжения на поверхности и на внутреннем контуре центрального ролика от действующей нагрузки на подшипник, рисунок 9.

\ N ч\ 1 ёшщшщ .. ■ : % 1 ш........m........: —î—Г— »ТО ■ ■ асо •'..■'— ; i : . :/П Vх ; : ]J авшда^..... , // У - ' .'.v.^v..-..; ' ; ' i

\ : j soo -

ч<4 i ч Z ' : > , "

w"Y ' • ' , .J:

ышм Sk J0- | ti.....; -

3№,00 250,00 ¡06,00 150,® 100.00 50,00 (ДО 10,00 ÏO.OO 30.00 40.00 60.00 60.0с 70,00

Напряжамиа»апа«ной 1&ЧИ1 ее, МДэ Комт. Д1влакиа 9, УПи

Рис. 9. Номограмма для определения контактного давления и максимального касательного напряжения

Результаты проведенных исследований позволили разработать типовой технологический процесс сборки и монтажа подшипников качения для судового валопровода с повышенными эксплуатационными характеристиками, который помимо последовательности выполнения технологических операций содержит технические требования к конструктивному исполнению узлов и методику расчета конструктивно-технологических параметров.

На рис. 10 представлена технологическая схема процессов изготовления и сборки подшипников качения с полыми роликами.

Технологическая схема изготовления подшипников с полыми роликами

1. Производство полых 2. Производство 3. Сборка

роликов для колец подшипника

подшипников подшипников

Рис. 10. Схема технологического процесса сборки подшипников качения с

полыми роликами

Созданная технология сборки подшипников основана на прогрессивном методе гидрораспора масла на сопрягаемые поверхности деталей подшипника, а выполнение технологических операций позволяет устранить монтажные зазоры и обеспечить высокую несущую способность.

В зависимости от конструктивно-технологических параметров опоры для выполнения технологических операций рекомендован тот или иной комплект модульных устройств, обеспечивающий монтаж и демонтаж подшипников.

Экономическая эффективность от внедрения результатов работы, а именно конструктивно-технологического решения в виде подшипников качения с полыми роликами для судовых и корабельных валопроводов образуется за счет использования прогрессивных цилиндрических заготовок полых роликов и исключения сборочных работ, требующих последующей центровки, характерных для существующих типов опор. Результаты оценки снижения материалоемкости и трудоемкости изготовления, выполненной применительно к эсминцу проекта 11150, относительно вала диаметром 400 мм, представлены в табл.1.

Таблица 1

Технико-экономические показатели судовых опор_

Показатель Подшипник скольжения Подш. качения со енлошн. роликами Подш. качения с полыми роликами

Удельная материалоемкость, г/Н 0,051 0,062 0,047

Удельное энергопотребление при трогании, мН-м/Н 0,275 0,014 0,015

Удельное энергопотребление при вращении, мН-м/Н 0,061 0,014 0,015

Удельная трудоемкость, чел.-ч/Н 0,085 0,067 0,069

Разработанная технология обеспечивает практическую реализацию подшипников качения с полыми роликами, обладающих высоким уровнем технологичности и эксплуатационной надежности, взамен традиционных подшипников.

Разработанные конструктивно-технологические решения опор судовых валопроводов свидетельствуют о том, что поставленная цель достигнута, а результаты работы востребованы промышленностью в России и за рубежом.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, предназначенные для решения важной прикладной задачи - обеспечения высокой надежности, повышении долговечности и несущей способности опор судовых валопроводов.

Основные результаты и выводы диссертации состоят в следующем:

1. Исследовано распределение нагрузки между телами качения в подшипнике с полыми роликами, позволяющее оценить влияние пустотелости роликов на снижение нагрузки на наиболее нагруженный ролик.

2. Установлены функциональные зависимости, определяющие влияние коэффициента пустотелости ролика на его упругие деформации и значения напряжений в его опасных точках, что имеет существенное значение для определения несущей способности и жесткости подшипника с полыми роликами.

3. Представлены уравнения, определяющие компоненты напряжений в опасных точках ролика, позволяющие оценить прочность материала и интенсивность максимальных напряжений с точки зрения различных теорий прочности. Исследования деформаций и напряжений в полых роликах подтверждены экспериментальными замерами.

4. Проведенный в ANSYS конечно-элементный анализ позволил смоделировать условия нагружения подшипников, работающих в нестандартных условиях, и провести сопоставление и оценку его прочностных характеристик с целью оптимизации конструкции подшипника.

5. Разработана на основе полученных зависимостей методика расчета подшипников качения с полыми роликами, позволяющая правильно выбрать коэффициент пустотелости и оценить, насколько рационально спроектирован подшипниковый узел.

6. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что ресурс подшипников качения с полыми роликами от 2 до 3 раз превышает ресурс традиционных подшипников судового валопровода. Определено, что усталостная прочность полых роликов обеспечивает ресурс опоры судового валопровода на весь срок эксплуатации судна, не предполагая промежуточного ремонта подшипников.

7. Установлено, что применение подшипников качения с полыми роликами повышает эффективность работы всего судового движительного комплекса и передает на гребной винт дополнительную мощность от 0,5% до 3%, что приводит к значительной экономии топлива.

8. Разработана технология сборки подшипников качения с полыми роликами на основе метода гидрораспора масла на сопрягаемые поверхности деталей подшипника, обеспечивающая практическую реализацию подшипников качения с полыми роликами, обладающих высоким уровнем технологичности и эксплуатационной надежности.

Результаты настоящей работы внедрены при проектировании и при изготовлении корабельных валопроводов, что подтверждено актами о внедрении. Для фрегата проекта 11150 внедрение конструкции подшипников качения с полыми роликами при диаметре вала 400 мм обеспечивает по сравнению с традиционными подшипниками снижение материалоемкости на 9%, а сокращение трудоемкости изготовления и сборки в среднем на 23%. Экономический эффект для фрегатов проекта 11150 за счет снижения эксплуатационных расходов, увеличения длины пролетов и сокращения работ по техническому обслуживанию подшипников составляет 5,1 млн. руб.

Применение подшипников качения с полыми роликами обеспечивает повышенную надёжность, долговечность, безотказность работы, увеличение быстроходности, снижение шумности, вибрации и расхода смазочных материалов, уменьшение момента трения (трогания), возможность эксплуатации в экстремальных условиях без подвода смазки, повышение коррозионной стойкости и легкость хода.

Разрабатываемые подшипники качения могут использоваться во всех областях машиностроения. Результаты разработки могут быть применены в транспортной промышленности и многих других областях. Они могут использоваться на всех типах судов: пассажирских, грузовых и военных кораблях, независимо от диаметра судового вала. Ожидается, что потенциальными заказчиками таких подшипников будут являться крупнейшие судостроительные верфи и судоремонтные заводы.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гаврилюк Р.Н. Оценка прочностных характеристик подшипников качения судового валопровода с полыми роликами. Морские интеллектуальные технологии «МОРИНТЕХ». Выпуск 2 (12). - СПб.: СПбГМТУ, 2011. с. 21-26. (Издание, рекомендованное ВАК).

2. Гаврилюк Р.Н. Прочностная оценка подшипников качения судового валопровода. Журнал университета водных коммуникаций. Выпуск II (X). - СПб.: СПГУВК, 2011. с. 73-78. (Издание, рекомендованное ВАК).

3. Гаврилюк Р.Н. Исследование нагружения подшипников судового валопровода. Журнал университета водных коммуникаций. Выпуск I (IX). - СПб.: СПГУВК, 2011. с. 48-54. (Издание, рекомендованное ВАК).

4. Гаврилюк Р.Н. Подшипники качения для валопровода. Сборник трудов Всероссийской Конференции Молодых Ученых и Специалистов «Будущее Машиностроения России», Россия, - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 25-27 ноября 2008. с. 76-81.

5. Гаврилюк Р.Н., Герасимов Н.И. Разработка подшипников качения для валопровода с повышенными эксплуатационными характеристиками. «У.М.Н.И.К.» в Санкт-Петербурге. Разработки победителей конкурса программы Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «У.М.Н.И.К.». - СПб.: СПбГПУ, 2010. с. 258260.

6. Гаврилюк Р.Н., Герасимов Н.И. Новое направление в создании судовых подшипников валопровода. Четвертый Международный симпозиум по транспортной триботехнике ТРАНСТРИБО «Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте». СПб.: СПбГПУ, 2010. с. 196-200.

7. Гаврилюк Р.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния подшипников качения с полыми роликами для судового валопровода.

Материалы II межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». - СПб.: СПГУВК, 12-13 мая 2011. с.78-85.

8. Гаврилюк Р.Н. Способы повышения эффективности работы судового движительного комплекса. Материалы межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России». - СПб.: СПГУВК, 12-13 мая 2010. с. 51-56.

9. Гаврилюк Р.Н. Повышение надежности и безопасности эксплуатации судов в Балтийском регионе за счет установки нового типа подшипников для судового валопровода. Материалы I межвузовской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Балтийский экватор». - СПБ.: СПбГМТУ, 18-19 марта 2010. с. 183-186.

Ю.Гаврилюк Р.Н. Упрочнение подшипников качения. 9-я Международная конференция «Пленки и покрытия - 2009». - СПб.: СПбГПУ, Институт проблем машиностроения РАН, 26-29 мая 2009. с. 305-310.

11.Гаврилюк Р.Н. Подшипники качения для судового валопровода. Материалы межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного образования в России «Водный Транспорт России: История и Современность». - СПб.: СПГУВК, 13-14 мая 2009. с. 8-13.

Подписано в печать 19.10.11 Сдано в производство 19.10.11 Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1,27. Уч.-изд. л. 1,1. _Тираж 60 экз._Заказ № 152_

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФБОУ ВПО СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Конструктивно-технологические особенности судовых валопроводов и их нормы.

1.2. Анализ нагрузок, действующих на судовой валопровод.

1.3. Опыт эксплуатации подшипников валопровода. Обоснование аспектов формирования подшипников качения судового валопровода.

1.4. Способы повышения работоспособности подшипников судового валопровода.

1.5. Постановка целей и задач исследования.

Глава 2. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ ВАЛОПРОВОДА, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОЛЫХ РОЛИКОВ В ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ.

2.1. Разработка расчетной схемы валопровода и исходные данные.

2.2. Определение нагрузок на подшипниках судового валопровода от эксплуатационных и других параметров напряженно-деформированного состояния системы.

2.3. Исследование напряженного состояния полых роликов в подшипниках качения-.

2.3.1. Теоретический анализ условий работы подшипников с пустотелыми роликами.

2.3.2. Основные положения теории расчета пустотелого цилиндра с плоскостью.

2.3.3. Определение упругой деформации полого ролика и контактного сближения колец подшипника.

2.3.4. Исследование распределения нагрузки между телами качения в подшипниках с полыми роликами.

2.3.5. Исследование напряженного состояния полых роликов.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА С ПОЛЫМИ РОЛИКАМИ.

3.1. Экспериментальные исследования напряженного состояния полых роликов подшипников качения.

3.2. Исследование влияния коэффициента пустотелости роликов на эксплуатационные характеристики подшипников качения.

3.3. Разработка конструкции подшипника и стендовые испытания.

3.4. Имитация перекоса судового вала в подшипнике качения.

3.5. Исследование усталостной прочности подшипников качения с полыми роликами.

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ С

ПОЛЫМИ РОЛИКАМИ, ТЕХНОЛОГИЯ ИХ СБОРКИ И МОНТАЖА.

4.1. Исследование влияния подшипников качения на энергозатраты валопровода.

4.2. Разработка методики расчета подшипников качения с полыми роликами.

4.3. Разработка технологии сборки и монтажа подшипников качения с полыми роликами.

4.4. Технико-экономические показатели от внедрения.

Одним из важнейших направлений судостроения является повышение эффективности работоспособности судового валопровода. Судовой валопровод является важнейшим механизмом в эксплуатации судна и представляет собой сложную систему, от которой зависит живучесть судна или корабля. Он представляет собой промежуточное звено, соединяющее ГД с движителем. От эффективности работы судового валопровода зависит количество полезной подведенной мощности к гребному винту, а от подшипников валопровода зависит его надежность, эксплуатационная технологичность и эффективность работы всего судового движительного комплекса. Он состоит из системы валов - гребного, дейдвудного, промежуточного и упорного, соединяющих движитель с энергетической установкой, а также подшипников, на которые опираются валы.

С увеличением водоизмещения, скорости хода судов и мощности судовых энергетических установок возрастают нагрузки на валопроводы, что приводит к увеличению их размеров. С увеличением размеров валов повышается жесткость валопроводов и возрастают требования к его опорам. В процессе эксплуатации валопровод получает различные радиальные смещения опор, что изменяет его напряженное состояние и приводит к износу подшипников. Износ подшипников приводит к тому, что при эксплуатации параметры центровки, реализованные при монтаже с учетом норм, выходят за допускаемые пределы и валопровод оказывается в предельном состоянии со всеми вытекающими последствиями, вплоть до преждевременного выходя из строя гребных валов и дейдвудных подшипников.

Аварии, причиной которых являются движительные комплексы, связаны с повреждениями гребных и дейдвудных валов. Выход из строя валопроводов наносит ущерб, во много раз превышающий стоимость поврежденного или разрушенного вала. Возникают ремонтные расходы, включающие постановку судна в док, оплату дока, стоимость сменно-запасных частей и заменяемых валов, затраты на буксировку судна. Помимо этого, происходит потеря эксплуатационной прибыли за время вынужденного простоя судна. Необходимо также отметить, что при проведении ремонта валопровода возникают значительные сложности и большая потеря времени при разборке и последующей сборке всех элементов валопровода.

К основным параметрам центровки валопровода относятся нагрузки на подшипниках и нормальные напряжения в валах. Длительное сохранение их на допускаемом уровне в процессе эксплуатации является одним из основных направлений в проблеме повышения работоспособности валопроводов.

Большой вклад в решение этой проблемы внесли Ю.А. Шиманский, С.Ф. Абрамович, B.C. Кравченко, В.А. Меркулов, П.А. Гаращенко и др. В последние годы возросло число изобретений, направленных на повышение работоспособности валопроводов и дейдвудных устройств. Имеются перспективные предложения, однако, количественно оценить эффект от их I внедрения не представляется возможным.

При эксплуатации валопровод испытывает сложное напряженное состояние, вызываемое действием крутящего момента и осевой силы от упора гребного винта. Кроме того, на напряженное состояние валопровода оказывают серьезное влияние деформации корпуса судна, которые возникают от перераспределения сварочных напряжений и деформации, возникающие от переменных значений перевозимого груза и от волнения моря.

Указанные факторы свидетельствуют о том, что валопровод является сложной технической системой, которой предъявляются высокие требования в обеспечении надежной работы на всех эксплуатационных режимах. В тоже время изготовление валопровода и последующий монтаж на судне требует значительных материальных и трудовых затрат. Задача повышения работоспособности валопровода является актуальной, так как не удается увеличить технический ресурс валопровода и сократить влияние эксплуатационных условий на его работу.

Таким образом, проблема формирования высокотехнологичных и надежных конструктивно-технологичных решений, основой которых являются подшипники качения с повышенными эксплуатационными характеристиками, для повышения работоспособности валопровода, увеличения его технического ресурса и сокращения влияний эксплуатационных условий на его работу, является актуальной, особенно при постройке судов и кораблей на экспорт.

Концептуальная направленность работы состоит в разработке конструктивно-технологических основ подшипников качения, которые обеспечат повышенную надёжность, долговечность, безотказность работы, увеличение быстроходности, снижение шумности, вибрации и расхода смазочных материалов, уменьшение момента трения (трогания), возможность эксплуатации экстремальных условиях без подвода смазки, повышение коррозионной стойкости и легкость хода. Они могут использоваться на всех типах судов независимо от диаметра судового вала.

В работе не предусматривалось производить анализ вибрационных характеристик валопровода, поскольку эти исследования следует выполнять в виде отдельных этапов расчета. Поэтому оптимальное решение должно быть затем проверено по вибрационным характеристикам, чтобы быть приемлемым. Если окажется, что оптимальное решение неприемлемо по вибрационному критерию, то следует внести в решение корректировку, учитывая возможные ограничения, накладываемые вибрационными характеристиками.

В работе применены современные методы исследований. Теоретические исследования базируются на известных методах математического анализа, на универсальных методах строительной механики корабля (уравнение 3-х и 5-ти моментов, метод начальных параметров). Для получения теоретических и практических решений широко использованы математическое моделирование, методы оптимизации, численные методы решения систем уравнений, численные эксперименты.

Цель, которую поставил перед собой автор настоящей работы - повышение уровня работоспособности валопроводов и их эксплуатационной надежности путем разработки и внедрения научно-обоснованных конструктивно-технологических основ создания новых опорных подшипников.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

1. Математическая модель подшипника качения с полыми роликами, позволяющая произвести прочностную оценку конструкции и определить напряженно-деформированное состояние элементов.

2. Методика расчета конструктивно-технологических параметров подшипников качения для судового валопровода, позволяющая выбрать оптимально обоснованное решение.

3. Новая конструкция опорного подшипника качения судового валопровода с повышенными эксплуатационными характеристиками.

4. Результаты исследования долговечности подшипников с полыми роликами и установленный предел усталостной прочности.

5. Технология сборки и монтажа подшипников качения с полыми роликами на основе метода гидрораспора.

выводы

1. Экспериментальные исследования показали, что ресурс подшипников качения с полыми роликами от 2 до 3 раз превышает ресурс традиционных подшипников судового валопровода, а несущая способность выше, что подтверждает результаты теоретических исследований, положенные в основу разработки.

2. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что характерными точками, ответственные за разрушения, являются точки на внутреннем контуре роликов. Формируя площадку контакта таким образом, чтобы при той же внешней нагрузке получить более низкую величину контактного давления, можно существенно повысить динамическую и статистическую грузоподъемность подшипника.

3. Построенная номограмма и данные полученные в расчете могут быть рекомендованы при создании новых методик расчета подшипников качения с полыми роликами для оценки контактной прочности.

4. Проведенный в А№У8 конечно-элементный анализ позволил смоделировать условия нагружения подшипников, работающих в нестандартных условиях, и провести сопоставление рассчитанных параметров с целью выбора лучшего варианта при проектировании подшипника.

5. Определено, что усталостная прочность полых роликов обеспечивает ресурс опоры судового валопровода на весь срок эксплуатации судна, не предполагая промежуточного ремонта подшипников.

6. Экспериментальные исследования позволили установить особенности и отработать выполнение конструктивных и технологических операций сборки подшипников качения с полыми роликами судового валопровода.

7. Расчет и экспериментальные данные показали высокую эффективность подшипников качения с полыми роликами и подтвердили целесообразность их использования для повышения надежности опор судового валопровода.

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ Є ПОЛЫМИ РОЛИКАМИ^ ТЕХНОЛОГИЯМИ^

СБОРКИ И МОНТАЖА

5;1. ; Исследование влияния подшипников качения на энергозатраты валопроводам

На примере1 эсминца пр. 11150 водоизмещением. 6800т и развиваемой скоростью 3 0 узлов, ранее на этапе 2; 1 настоящей; работы, было/ произведено исследование конструкции валопровода и разработана его:расчетная схема.

В процессе: работы с помощью программы «Вал-Оптим» были определены деформации- и напряжения« изгиба в сечениях валопровода:, нагрузки на опоры и: характер распределения нагрузок в протяженных подшипниках с: учетом внешних факторов- таких; как деформация корпуса судна! при- местном и общем изгибе; приводящие: к изменению пространственного ^положения опорных подшипников;. Знаяшагрузкишаюпоры; произведем;, расчет моментов« трения; и: потерь мощности?: для« подшипников* качения; которые: соответствует 31, 39, 49; 57, . 66 элементам;расчетной«схемы валопровода.

Согласно положениям- международного стандарта: сопротивление вращению в подшипниках качения; оценивается; двумя' параметрами:: моментом вращения и моментом трогания. Под моментом вращения понимается момент, необходимый для? удержания; от вращения? одного кольца; подшипника; в то время'? как другое его кольцо вращается: Момент трогания - момент, необходимый: для приведения в движение: одного« кольца; подшипника относительно; другого из состояния покоя. Момент трогания-: всегда: больше момента вращения примерно от 1,5-3 раз.

При работе подшипника сопротивление вращению складывается из нескольких составляющих:

- трения между роликами и дорожками качения колец подшипника, складывающегося, в свою очередь, из трения качения и дополнительного трения скольжения, возникающего на площадках контакта, вследствие сдвиговых деформаций материала и неравенства окружных скоростей отдельных точек контакта;

- трения тел качения в ячейках сепаратора;

- вязкого сопротивления смазочного материала.

В ненагруженных или легконагруженных подшипниках момент вращения связан, в основном, с сопротивлением» смазочного материала и трением тел качения-в сепараторе и зависит от способа смазки, количества и вязкости масла. В нагруженных подшипниках преобладающим становится трение на площадках контакта между телами качения и кольцами. С ростом нагрузки силы трения на площадках контакта тел качения увеличиваются, соответственно увеличивается и момент вращения.

Сопротивление вращению зависит от многих факторов и достоверную величину момента вращения можно определить только расчетным путем. Однако при определенных условиях эксплуатации подшипников качения момент трения может быть оценен по формуле:

Мтр=/7^, (4.1) где £ - коэффициент трения, условно приведенный к внутреннему диаметру подшипника или диаметру вала; т - радиальная нагрузка на подшипник, Н.

Зная величину f коэффициента трения, можно определить расход мощности на преодоление трения в подшипнике.

Ятр[Вт]=^, (4.2)

Однако трение в ПК представляет собой сложный физический процесс, обусловленный контактными и общими деформациями соприкасающихся тел, геометрией поверхностей качения, свойствами смазки, сопротивлением потока смазки или среды, окружающей рабочие элементы подшипника и физические свойства материалов контактирующих пар.

1. Расчетная вязкость смазочного материала при рабочей температуре.

Вязкость используемого смазочного материала ЬвЕР 2: Индекс вязкости VI = 95 Температура, °С = 40 Вязкость, мм2/с = 200

Рабочая температура [°С] 60

Рабочая вязкость v [мм2/с] 72,9 к (v/vO 2,86 | где v = рабочая кинематическая вязкость, мм2/с; Vi = требуемая вязкость, мм2/с; к = относительная вязкость; v/vi

VI = индекс вязкости, отношение вязкости к температуре.

2. Для определения* момента трения и потерь мощности в опорном подшипнике качения были использованы расчетные средства компании SKF, которые находятся в свободном доступе на их сайте.

В таблице 4.1 приведены исходные данные подшипника для расчета момента трения и потерь мощности (нагрузка принимается с двукратным запасом).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, предназначенные для решения важной прикладной задачи - обеспечения высокой надежности, повышении долговечности и несущей способности опор судовых валопроводов.

На основании проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований автором получены следующие наиболее существенные научные и технические результаты:

1. Исследовано распределение нагрузки между телами качения в подшипнике с полыми роликами, позволяющее оценить влияние пустотелости роликов на снижение нагрузки на наиболее нагруженный ролик.

2. Установлены функциональные зависимости, определяющие влияние коэффициента пустотелости ролика на его упругие деформации и значения напряжений в его опасных точках, что имеет существенное значение для определения несущей способности и жесткости подшипника с полыми роликами.

3. Представлены уравнения, определяющие компоненты напряжений в опасных точках ролика, позволяющие оценить прочность материала и интенсивность максимальных напряжений с точки зрения различных теорий прочности. Исследования деформаций и напряжений в полых роликах подтверждены экспериментальными замерами.

4. Проведенный в АЫБУЗ конечно-элементный анализ позволил смоделировать условия нагружения подшипников, работающих в нестандартных условиях, и провести сопоставление и оценку его прочностных характеристик с целью оптимизации конструкции подшипника.

Применение подшипников качения с полыми роликами обеспечивает повышенную надёжность, долговечность, безотказность работы, увеличение быстроходности, снижение шумности, вибрации и расхода смазочных материалов, уменьшение момента трения (трогания), возможность эксплуатации в экстремальных условиях без подвода смазки, повышение коррозионной стойкости и легкость хода.

Разрабатываемые подшипники качения могут использоваться во всех областях машиностроения. Результаты разработки могут быть применены в транспортной промышленности и многих других областях. Они могут использоваться на всех типах судов: пассажирских, грузовых и военных кораблях, независимо от диаметра судового вала. Ожидается, что потенциальными заказчиками таких подшипников будут являться крупнейшие судостроительные верфи и судоремонтные заводы. ь^Лідутимад

Промышленная ул., д. 7, Санкт-Петербург, 198095, тел.: (812)786-0401 факс: (812)786-0459 Е-шаіІ: іпЬпх@<і^слрЬ гн ОКПО 07502259 ОГРН1097847011371 ИНН 7805482938 КПП 997850001

201ІГ

АКТ о внедрении результатов диссертационной работы Гавршпока Р.Н.: «Конструктивно-технологические основы создания подшипников качения для судового водопровода с повышенными эксплуатационными характеристиками»

Разработанные аспирантом Гавршпоком Р.Н. конструктивно-технологические основы в ходе проведения исследовательских работ по диссертации представляют несомненный интерес для специалистов ОАО «Центр технологии судостроения и судоремонта» и в этой связи основные научные положения указанной работы приняты к использованию в научно-производственной деятельности нашего предприятия.

Следует отметить, что внедрение научно-технических результатов диссертации Гаврилюка Р.Н. в проектирование и производство движительных комплексов несомненно позволит:

- повысить ресурс (в два-три раза) по сравнению с существующими подшипниками скольжения;

- снизить коэффициент трения в три-четыре раза, что обеспечит значительную экономию расхода топлива при эксплуатации судов;

- снизить уровень шума работы подшипников и их массы.

С целью более широкого внедрения нового вида подшипников для движительных комплексов судов и кораблей разных типов и классов рекомендуем в дальнейшей продолжить Гавршпоку Р.Н. научно-исследовательские работы в данном направлении.

Главный научный сотрудник НТФ «Судотехнология», доктор техн. наук, заслуженный машиностроитель РФ £?Н.И.Герасимов канд.техн наук

Главный специалист НТФ «Судотехнология

В.Г.Нестеров

1.Румб В.К. Прочность судового оборудования. Конструирование и расчеты прочности судовых валопроводов. C1.L МТУ, 2008. - 297 с.

2. Абрамович С.Ф., Меркулов В А., Пахомов К.Н. Прочность валопроводов транспортных судов // Судостроение. 1977. - № 1.-е. 35-39.

3. Абрамович Б.Г., Меркулов В.А. Экспериментальное исследование работоспособности дейдвудных подшипников на крупномасштабной модели валопровода // Сб.: Вопросы судостроения, серия Технология судостроения, вып. 15. 1977.-с. 46-52.

4. Абрамович С.Ф., Марков А.П. Пути повышения надежности судовых валопроводов, совершенствование технологии их изготовления и монтажа // Технология судостроения. 1983. - № 8. - с. 45-49.

5. Гаращенко П.А. Повышение работоспособности судовых валопроводов методами оптимизации и стабилизации параметров центровки. Автореф. дисс. д-ра техн. наук. СПГМТУ, Астрахань, 2001. - 44 с.

6. Рекомендации Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы повышения надежности судовых валопроводов"; 18-20 октября / НТО им. акад. А.Н.Крылова, ЦП, секция технологии судового машиностроения, Ленинград, 1988. 7 с.

7. Larsen О.С. Some considérations on marine shafting design / Transactions of the Institute of Marine Engineers, 1979, с 91, № 4. p. 12-23.

8. Лубенко B.H., Вязовой Ю.А. Монтаж судовых валопроводов // Судостроение, 2007. 400 с.

9. Кохан М.Н., Друт В.И. Ремонт валопроводов морских судов. М.: Транспорт, 1980. - 240 с.

10. Постнов В.А. Численные методы расчета судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1977. - 279 с.

11. Правила классификации и постройки морских судов. Морской Регистр Судоходства, 2002.

12. ОСТ 5.4078-73. Валопроводы надводных судов и кораблей. Монтаж. Технические требования. Взамен С 1-1775-64. Введ: 01.01.75. - М.: Из-во ЦНИИТС, 1974. - 210 с.

13. ОСТ 5.4368-81. Валопроводы судовые движительных установок. Монтаж. Технические требования, правила приемки; и методы контроля. -Взамен ОСТ 5.4038-71. Введ. 01.01.84. Л.: Из-во судостроит. пром-сти, 1981, - 143 с.

14. Российский Речной Регистр: Правила. Т. 1-4 . М.: 2002.

15. Кравченко B.C. Монтаж судовых энергетических установок. . ЛС:; Судостроение, 1975. - 255 с.16; Артемов F.Ä, Волошин 1©:В: Судовые, энергетические установки. Л;: Судостроение, 1987. - 476 с.

16. Николаев В.А. Конструирование и расчет судовых валопроводові Лі: Судпромгиз, 1956. - 358 с.

17. Гаврилюк Р.Н. Исследование нагружения подшипников судового валопровода. Журнал университета водных коммуникаций. СПб. 20Г1. с. 4854. ', . '. '.■.'' ' ■ ■

18. Старосельский A.A., Белаковский. >1.И. Подшипники судовых валопроводов. М.: Изд-во;Морскоштранспорт; 1959; 1341с.

19. Морозовский Б.Ф. Повышение надежности эксплуатации валопроводов танкеров типа- "София" путем • применения рациональных методов монтажа // Технология судостроения. -1971. № 2. - с. 41-54.

20. Иванов Ю Н. Оптимальное расположение опор валопровода // Судостроение. -1987. -№ 10. с. 22-23.

21. A.C. 1114587 СССР, МКИ В 63 Н 23/34. Опорный подшипник судового валопровода / Н.В.Январев, А.С.Кельзон, А.Е.Коротаев, А.В.Смыков. № 3608537/27-11; За-явл. 15.06.83; Опубл. 23.09.84, Бюл. № 35. - 2 с.

22. A.C. 715386 СССР, МКИ В 63 Н 21/30. Опора судового валопровода / ИАЛатман. № 2526364/27-11; Заявл. 26.09.77; опубл. 15.02.80, Бюл. №6. -3 с.

23. Латман И.А. Теоретические исследования работы клппопружишюго механизма самоцентрирования опор промежуточных валов судовых валопроводов // В сб.: Труды НКИ / Николаевский кораблестр. ин-т. -Николаев, 1974, вып. 80. с. 18-25.

24. Екимов В.В., Искрицкий Д.Е. Влияние деформации корпуса судна на смещение опор валопровода // Судостроение. 1973. - № 3. - с. 46-48.

25. ОСТ 5.4307-79. Валопроводы судовые. Правила и нормы проектирования. -Взамен PC 735-68. Введ. 01.01.81. Л.: Из-во судостроит. пром-сти, 1979. - 146 с.

26. ОСТ5.9250-76. Материалы антифрикционные, применяемые в судостроении. 1976.

27. Путвинская Е.И. Исследование напряженного состояния в зоне контакта пустотелого цилиндра с плоскостью. Автореферат диссертации. Казанский авиационный институт, 1964.

28. Путвинская Е.И. К вопросу о контакте упругого пустотелого цилиндра с упругой плоскостью. «Труды КАИ», вып.43, 1958.

29. Путвинская Е.И. Пути повышения контактной выносливости роликоподшипников.

30. Тимошенко С.П. Теория упругости. М.: Наука, 1975. - 575 с.

31. Тимошенко С.П. О распределении напряжений в круговом кольце, сжатом двумя взаимно противоположными силами. «Известия Киевскогополитехнического института», 1908. 21 с.

32. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Наука, 1966. - 708 с.

33. Колосов Г.В. О равновесии упругих круглых дисков. Изв. электротехн. ин-та, т. XII, Петроград, 1915. с 39-55.

34. Народецкий М.З. Об одной контактной задаче. СССР. №6, 1943.

35. Народецкий М.З. Об одной задаче плоской теории упругости, разрешаемой в замкнутой форме. Сообщ. Груз. ССР, т. 19, № 3, 1957. с 263266.

36. Народецкий М.З. Определение напряжений в круглом кольце под действием сосредоточенных сил. Известия АН СССР, М. 1948.

37. Вайнберг Д.В. Напряженное состояние составных дисков и пластин. — Киев: АН СССР, 1952.

38. Григорьев A.M. Распределение нагрузки в прдшипнике с пустотелыми роликами. — «Технология и организация производства», №2, Киев, 1967. с. 96-98.

39. Шашкин В.В. Исследование динамических характеристик высокоскоростных роликоподшипников и оптимизация их конструктивных параметров. Автореферат. Пермский политехнический институт, 1975.

40. Бидерман B.JI. Об определении деформаций при сжатии цилиндрической и плоской детали. «Теоретические и экспериментальные исследования напряженного и деформированного состояния некоторых элементов конструкций», МВТУ, 1947.

41. Zaretsky Erwin V. The changing technology of rolling element bearings. Mach-Design. №24, 1966.

42. Bowen Willard L. Hollow roller tapered bearing. — «Машиностроительные материалы, конструкция и расчет деталей машин», №6, 1981.

43. Григорьев A.M., Путвинская Е.И. Обоснование рациональных геометрических параметров пустотелых опорных роликов. «Детали машин».

44. Республиканский межведомственный сборник. МВССО УССР, вып. 19, 1974.

45. Кустов В.Г. Исследование динамической прочности, жесткости и работоспособности авиационных подшипников с пустотелыми роликами. Автореферат диссертации. Куйбышевский авиационный институт им: акад. С.П. Королева, Куйбышув, 1976.

46. Пиковский В.А. и др. Исследование распределения нагрузки в подшипниках с пустотелыми роликами. «Подшипниковая промышленность», №2, 1969. - с. 8-14.

47. Башкирцев В.А. Исследование тепловых и прочностных характеристик подшипников РТД с пустотелыми роликами. Казанский авиационный институт им. А.Н. Туполева, Казань, 1984.

48. Герасимов Н.И. Технология замены крупногабаритного судового' энергетического оборудования. Учеб. пособие. Ин-т повышениягквалификации руководящих работников и специалистов судостроит. пром-сти, 1990.

49. Hertz H. Über die Berührung fester elastischer Korber. Gesammelte Werke, 1895.-s. 155-173.

50. Беляев, H.M. Местные напряжения при сжатии- упругих тел. — В сб.: Инженерные сооружения и строительная механика. — Л.: Путь, 1924. с. 27108.

51. Штаерман И.Я. Контактная задача теории упругости. М.; Д.: Гостехиздат, 1949. 270 с.

52. Петрусевич А.И. Контактные напряжения деформации и контактно1.гидродинамическая теория смазки (совместная контактная игидродинамическая плоская задача механики).// Автореферат диссертации на , степень доктора технических наук. Изд-во АН СССР, 1950.

53. Stribeck, R. Die wesentlichen Eigenschaften der Gleit- und Rollenlager (Thei ?basic properties of sliding and rolling bearings), Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure, 2002, Nr. 36, Band 46, p. 1341-1348.

54. Хоприх (M.R.Hoeprich), Цантопулос (H.Zantopulos). Контактные деформации вдоль прямой линии:, цилиндр между двумя плоскими плитами.//Труды ASME, Проблемы трения. М.: Мир, 1981,ТЛ03, №1, с.23-27.

55. Спришевский А.И. Подшипники качения. М.: Машиностроение, 1968— 628 с. ■

56. Сызранцев В.Н., Сызранцева К.В. Расчет напряженно-деформированного состояния- деталей методами конечных и граничных элементов: Курган:Изд-во Курганского гос; ун-та; 20001-1Т1с.

57. Басов К.А. AN S YS в примерах. и задачах/ Под общ. ред. Д.Г. Красковского. М.: КомпьютерПресс, 2002. 224 с.60; ANSYS Solutions. №3'Энергетика. Русская редакция. Лето 2006. 56 с.

58. Новиков В.Ф. Исследование . влияния жесткости роликов на долговечность цилиндрических .: роликоподшипников. Ростовский государственный университет путей сообщения.

59. Берендеев H.H. Применение системы: ANSYS . к оценке, усталостной долговечности. Нижегородский государственный университет ИМ'. Н.И. Лобачевского. Нижний Новгород, 2006 - 84 с.

60. Качанов:Л;М'10сновы механикифазрушения. М:: Наука, 1974. - 312 е.

61. Шаврин О.И. Технология и оборудование термомеханической обработки машин. М.: Машиностроение, 1983. - 176 с.

62. Нестеров В.Г. Разработка технологии сборки вгулочно-эксцентриковых соединений валов судовых и корабельных валопроводов. Автореф. дисс. к.т.н. Ц'ГСС, СПб, 2004. - 18 с.

63. Правила и> нормы в атомной: энергетике: Нормы, расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ I '7-002-86.,- М.: Энергоатомиздат, 1989; 525 с.

64. Лахтин Ю.М. Термическая обработка в машинос'фоении. Справочник. -М;: Машиностроение, 1980. 783 с.

65. Биргер И.А. Расчет на прочность деталей машин. Справочник, 4-еиздание. M.: Машиностроение, 1993. - 640 с.

66. Бейзельман Р.Д., Цыпкин Б.В. Подшипники качения. Справочник. М.: Машгиз, 1967.

67. Нормы времени на слесарные работы по ремонту движителей и валопроводов. Утв. м-вом реч. флота РСФСР, 1983.

68. Леликов О.П. Валы и опоры с подшипниками качения. М.: Машиностроение, 2006.

69. Pettersson Jan, Finite element analysis of case-hardened roller bearings. Akad. avh. Jan Pettersson, 1998 (Linkoping studies in science a. technology. Dissertations. N 548).

70. Schiff und Hafen. Erfahrungen mit Wälzlagern im Schiffsbetrieb. Von Dipl.-Ing. Walter Fincke. Schweinfurt.

71. Schiff und Hafen. Wälzlager in den Neubauten der HAD AG-Fährschiffe. Von Dipl.-Ing. Walter Fincke. Schweinfurt.

72. Care and Maintenance of Bearings. Cat. №3017. NTN.

73. Rolling Bearing Lubrication. Publ. No. WL 81 115/4 EA. FAG Kugelfischer Georg Schafer AG.

74. Technical Manual Freudenberg Simrit GmbH & Co.KG, 2007.

75. Гаврилюк Р.Н. Упрочнение подшипников качения. 9-я Международная конференция «Пленки и покрытия 2009», Россия, Санкт-Петербург,

76. Институт проблем машиностроения РАН, Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, 26-29 мая 2009. с. 305-310.

77. Разработки победителей конкурса программы Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «У.М.Н.И.К.». СПБГПУ, Санкт-Петербург, 2010. с. 258-260.

78. Гаврилюк Р.Н. Исследование нагружения подшипников судового валопровода. Журнал университета водных коммуникаций. Выпуск I (IX)2011. Санкт-Петербург, 2011. с. 48-54.

79. Гаврилюк Р.Н. Прочностная оценка подшипников качения судового валопровода. Журнал университета водных коммуникаций. Выпуск II (X) 2011. Санкт-Петербург, 2011. с. 73-78.

80. Гаврилюк Р.Н. Оценка прочностных характеристик подшипников качения судового валопровода с полыми роликами. Морские Интеллектуальные Технологии «МОРИНТЕХ». Выпуск 2 (12) 2011. Санкт-Петербург, 2011. с. 21-26.

81. ГОСТ 4.479-87. Номенклатура показателей. Подшипники качения. Система показателей качества продукции, 1989.

82. Румб В.К. Основы проектирования и расчета судового валопровода / В.К.Румб, 1996.91. http ://www. skf. com/portal/skf/home92. http://www.crism.ru/Rus/AboutInstitute/Sciens/marine-machine-building-materials.

83. Результаты расчета валопровода от деформаций корпуса судна