автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Обеспечение прочности и долговечности валопроводов речных судов при действии крутильных колебаний

^ г, 1 9 ^

ЛЕНИНГРАДСКИИ ОРДЕНА ЛЕНИНА ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЧЕРНОВ

Семен Евсеевич

УДК 629.12.011 На правах рукописи

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВАЛОПРОВ ДОВ РЕЧНЫХ СУДОВ ПРИ ДЕЙС" ЛИИ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Специальность 05.*. о Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград — 1991

Работа выполнена в Научно-производственном объединении «Судостроение» концерна «Росречфлот».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Л. В. ТУЗОВ.

Научный консультант доктор технических наук Г. Д. ИЗАК.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор М. К. ОВСЯННИКОВ; кандидат технических наук, доцент В. К. РУМБ.

Ведущее предприятие — Волжское объединенное речное пароходство.

Ленинградского государственного морского технического университета. Адрес: 190008, Ленинград, ул. Лоцманская, 3, ЛГМТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ленинградского государственного морского технического университета.

1991 г. в

час.

заседании специализированного совета Д053.23.02

Автореферат разослан «

1991 г.

Ученый секретарь специализированного с< к. т. н., доцент В. Ф. ДИДЕНКО

Ч топ ;.... ¡j

оыцдя хдрАкгЕристдад рдБОТЫ

Актуальность исследования. В решениях ХХУП съезда НПСС предусматривается дальнейшее развитие речного транспорта. В двенадцатой пятилетке перед речным транспор -том поставлена задача увеличить объем перевозок грузов на 9-11%, особенно на реках Сибири, Дальнего Востока и на малых реках, развивать перевозки грузов в большегрузных составах, продлить период гарантированной навигации на магистральных реках. Кроме этого предусмотрена необходимость существенной интенсификации исполь -зования речных судов.

Одной из основных проблем продления навигации на реках является повышение надежности валопроводов при эксплуатации судов в ледовых условиях.

Такие факторы, как ограниченные' габариты судового хода, мелководье, извилистость фарватера, наличие шлюзов, высокие скорости течения, недостаточность или даже отсутствие навигационных знаков, отсутствие оборудованных причалов,накладывают определенные требования к проектированию судов речного флота и к выбору его энергетической установки.

Ходкость и маневренные качества судов на чистой воде и в ледовых условиях обеспечиваются при безусловной надежности энергетических установок и, в частности, систем двигатель-валопровод-движитель (ДВД).

Надежность систем ДВД при воздействии на нее динамических нагрузок от крутильных колебаний подробно исследована для морских судов.

В отличие от морских речные суда имеют ряд конструктивных и эксплуатационных особенностей и преяще всего:

линии валопроводов значительно корочэ; шире набор элементов

валопровода (зубчатые и высокоэластичные муфты, реверс-редуктора, дополнительный отбор мощности от главных двигателей и т.п.) ;

значительный объем маневренных операций;

длительная работа СЭУ на долевых режимах с пониженной частотой вращения ;

турбинный режим вращения валопроводов на многовальных судах;

эксплуатация СЭУ на мелководьи ;

специфика работы б ледовых условиях (небольшие осадки, бортовое расположение движителей и т.п.).

Учитывая эти особенности, неправомерно полностью распространить на речные суда результаты исследований валопроводов юрских судов.

В связи с этим возникает необходимость проведения исследований системы ДВД, направленных на обеспечение эксплуатационной надежности и долговечности судов речного флота. Создание работоспособных элементов валопровода возможно только на базе исследований их поведения в условиях эксплуатации при действии динамических нагрузок переменного крутящего момента на чистой воде и в ледовых условиях, При этом, основное внимание уделено таким вопросам, кото -рые ранее достаточно подробно не рассматривались, а именно: влия -ние вращения валопроводов в турбинном режиме на работоспособность высокоэластичных муфт и исследования нагрузок, свойственных вало-проводаы речных ледоколов и судов ледового плавания.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы состоит в повышении надежности и долговечности элементов валопроводов.

Для выполнения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

исследование крутильных колебаний валопроводов, вращающихся в турбинном режиме, и влияние этого режима на работоспособность высокоэластичных муфт; .методика расчетной оценки долговечности высоко-

эластичных муфт по результатам их термометрирования и торсиогра-фирования валопроводов ; исследование нагрева муфт под действием динамических нагрузок от крутильных колебаний с учетом отвода тепла через валопровод; исследование нагрузок, свойственных валопро -водам речных судов ледового плавания и разработка рекомендации по требуемому усилению валопроводов речных судов при длительной эксплуатации их в ледовых условиях.

Методика исследования и достоверность результатов базируются и обеспечены использованием обобщенной исходной информацией по существующим способам оценки крутильных колебаний валопроводов, допускаемых напряжений и моментов для валов и упругих цуфт валопроводов, методов их расчета ;

аналитическими решениями, подтвержденными экспериментальными данными, полученными на судах ;

апробированными методиками при постановке экспериментов ; проведением экспериментальных исследований с использованием бесконтактной тензометрической аппаратуры фирмы Филипс о оценкой корректности полученных результатов методами математической статистики.

Научная новизна исследования. В процессе исследований получены и выносятся на защиту следующие основные положения и результаты:

установлено, что вращение валопровода в турбинном режиме оказывает существенное влияние на работоспособность и срок службы высокоэластичных муфт. Развит существующий метод расчета крутильных колебаний валопровода применительно к турбинному режиму ;

разработан метод расчетной оценки долговечности высокоэластичных муфт в шоговальных установках при расположении основного резонанса одноузловой (валопроводной) формы колебаний, нагружающего эластичную муфту, в зоне пусковых частот вращения двигателя ;

- б -

предложен метод расчетного определения температуры нагрева резинокордных оболочек высокоэластичных муфт типа МЭНШ;

получена математическая модель статистического описания амплитуд переменных крутящих моментов, действующих в валопроводах речных ледоколов и судов ледового плавания;

определены эквивалентные моменты, соответствующие нагрузкам в элементах системы ДВД, возникающим при взаимодействии гребного винта со льдом.

Практическая ценность работы состоит в обеспечении эксплуатационной надежности элементов системы двига-тедь-валопровод-движитель. В частности, определена периодичность и последовательность контрольных осмотров высокоэластичных муфт, позволяющая производить замену резиновых элементов в зависимости от характера их деформаций.

Выполнена расчетная оценка долговечности высокоэластичных муфт, позволяющая в процессе приемо-сдаточных испытаний головного теплохода на стадии торсиографирования валопроводов и термометрирования муфт прогнозировать их срок службы. Это позволяет своевременно приобретать новые резинокордные элементы муфт, исключить тем самым практику получения в ЗИП резинокордных элементов с момента постройки теплохода, так как при длительном хранении (8-10 лет) их крутильные и прочностные характеристики существенно ухудшаются , а срок службы или долговечность снижаются.

Предлагаемые основные положения расчета крутильных колебаний валопровода при его вращении в турбинном режиме используются на стадии разработки технического проекта судна для оценки предварительной запретной зоны частот вращения главного двигателя.

Использование метода расчетного определения температуры нагрева резинокордных оболочек высокоэластичных муфт типа 2ШШ позволяет на стадии проектирования валопроводов оценить допустимость применения данных муфт.

Предложенная математическая модель статистического описания а** плитуд переменных крутящих моментов позволяет осуществлять оценку усталостной прочности промежуточных и гребных валов речных ледоколов и судов ледового плавания на стадии их проектирования.

Разработаны рекомендации по определению диаметров промежуточных и гребных валов, обеспечивающие усталостную прочность при длительной эксплуатации в ледовых условиях.

Реализация результатов работы. Результаты исследований высокоэластичных муфт с оценкой их долговечности нашли практическое применение в пароходствах ВОРП, МРП, СЗРП, КРП, Енисейском речном пароходство и др., эксплуатирующих пассажирские теплоходы проектов 92-016, Ку-040А, Ку-040, Ку-056, 301, 302 и грузовые теплоходы проекта 0225. На основании исследования турбинного режима судовладельцами установлены ограничения работы энергетической установки (введение запретных зон частот вращения главных двигателей, допустимое время вращения в этих зонах) на пассажирских судах тех же проектов.

Результаты натурных испытаний и теоретических исследований работы судов в ледовых условиях использованы Ленинградским институтом водного транспорта при разработке руководящего документа: "Инструкция. Требования к расчету и проектированию открытых гребных винтов и валопроводов судов ледового плавания", РД 212.0147-8?, и ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова при выполнении работы выпуска 16574: "Исследование динамики движительно-двигательных комплексов и разработка методик расчета прочности комплексов валопровод-двигатель для ледоколов и судов ледового плавания", 1988.

Предложенные методы торисографирования валопроводов и термо-метрирования высокоэластичных муфт включены в ГОСТ 26046-83: "Общие требования к испытаниям на крутильные колебания". Метод расчета крутильных колебаний валопровода применительно к турбинному режиму, метод расчетного определения температуры нагрева резинокорд-

ных оболочек высокоэластичных муфт и математическая модель статистического описания амплитуд переменных крутящих моментов используются в НПО "Судостроение" Минречфлота при проектировании валопро-водов.

Экономический эффект от внедрения результатов работы, подтвержденный актами внедрения, составил 126,9 тыс.руб.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на секции "Продление навигации" ХХУП научно-технической конференции ГШВТа (г.Горький, 1984), на научно-производственном симпозиуме А/0 Вяртсиля по опыту эксплуатации речных ледоколов с осадкой 2,5 ы .(г.Москва, 1934), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы повышения надежности судовых валопроводов" (г.Ленинград, 1988).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ и получено одно авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем ра б.о ты. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 167 на именований и б приложений. Основная часть работы содержит страниц' машинописного текста, 37 таблиц и 15 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит краткое обоснование актуальности теш диссертации, сформулирована цель работы и указаны методы ее решения.

В перво й гл а"в е дан обзор требований по вопросам надежности валопроводов и их элементов, передающих крутящий момент," влияние условий эксплуатации на надежность элементов системы ДВД. Необходимым мероприятием по обеспечению надежности судовых валопроводов являются расчетные и экспериментальные исследования их крутильных колебаний. Наиболее подробно изучены крутильные колебания,

методам расчета которых посвящены труды Ю.С.Баршая, Ф.Ф.Болотина, Г.И.Бухариной, Л.В.Ефремова, В.К.Житомирского, П.А.Истомина, Г.В.Кортына, И.А.Лурье, Г.С.Ыаслова, К.Н.Пахомова, Я.Г.Пановко, В.П.Терских, Л.В.Тузова, М.Толле, Х.Хольцера, У.Кер-Вильсона и др.

Проблемы повышения надежности валопроводов при действии динамических нагрузок переменного крутящего момента достаточно широко исследованы в работах С.Ф.Абрамовича, Б.Ф.Бавина, А.С.Быкова, Е.И.Горбунова, М.А.Игнатьева, Н.Н.Кабачинского Ф.М.Кацмана,

B.А.Меркулова, С.В.Нестеровой, М.К.Овсянникова, Е.М.Пасуманского, К.Н.Поверова, В.К.Румба, Д.Л.Тайхмана, В.А.Ягодкина, М.В.Яковлевой,

C.В.Яконовского, Ван-дер^Линдона, С.Ф.Дорея, С.Олссона и др.

Вместе с тем, дальнейшее изучение колебаний валов, а также

усовершенствование их расчета остаются актуальными задачами. Показано влияние на развитие крутильных колебаний систем ДВД ряда факторов: колебания рейки топливного насоса, прекращение подачи топлива в один из цилиндров двигателя, замена гребного винта, замена су -чествующего двигателя другим, или того же типа, но с другими параметрами, форсировка двигателя, проточка отдельных участков валопро-вода. Эти факторы присущи как морским, так и речным судам. Однако в процессе эксплуатации речных ыноговалных судов, особенно при подходе к шлюзам, движении в каналах и на мелководных участках плеса, установлено, что один из не работающих валопроводов может находиться в зоне резонансной частоты вращения, в так называемом турбинном режиме. Следует отметить, что до настоящего времени исследований турбинного режима не проводилось. На судах, находящихся под наблюдением Регистра СССР, до 85 % упругих муфт установлены между двигателем и редуктором и только 15 % - в линии валопровода, тогда как на речных судах практически все они установлены в передаче "двигатель-винт", "редуктор-винт" и таким образом находятся в более тяжелых условиях эксплуатации. Если учесть, что допускаемые нагрузки для валов составляют (4-5) Мн, для реверс-редукторов (2-3) Мч, а

для упругих муфт - (0,2-0,6) Мн (Мн- номинальный крутящий момент двигателя), то слабым звеном в системе ДВД оказываются упругие муфты, целесообразность рассмотрения надежности работы которых очевидна.

Учитывая необходимость продления навигации на внутренних водных путях, проблема создания методики расчета и проектирования валопроводов в ледовых условиях для речных судов становится особенно актуальной. Существующие теоретические работы ограничиваются математическими моделями, которые базируются на условных физических представлениях и допущениях. В настоящее время осуществляется экспериментально-теоретическое прогнозирование динамических явлений, возникающих в валопроводах морских судов ледового плавания, в основе которого лежит метод статистического моделирования (П.А.Истомин, И.А.Кондратьев, В.К.Румб).

Однако полностью распространить результаты натурных испытаний морских ледоколов и судов ледового плавания на речные суда неправомерно.

Специфика речных судов (небольшие осадки, бортовое расположение движителей и т.д.) обуславливает своеобразие нагрузок, воспринимаемых движительными комплексами этих судов, и требования к их прочности. Необходимая информация о ледовых нагрузках может быть получена лишь по результатам натурных испытаний валопроводов различных речных судов в разнообразных ледовых условиях. Для решения указанных задач необходимо выполнить:

разработку методики экспериментального исследования нагрузок валопроводов на чистой воде и в ледовых условиях;

исследование влияния крутильных колебаний валопроводов, вращающихся в турбинном режиме, на работоспособность высокоэластичных

-цуфт ;

разработку метода расчетной оценки долговечности высокоэлас-тнчных муфт;

оценку температуры нагрева муфт типа МЭКШ; исследования крутильных колебаний валопроводов речных ледоколов и судов ледового плавания в спецификационных толщинах льда;

разработку рекомендации по требуемому усилению валопроводов речных судов при длительной эксплуатации их в ледовых условиях.

Вторая глава посвящена натурным исследованиям нагрузок на валопроводы речных судов.

Измерения проводились на пассажирских судах "Климент Ворошилов", "Василий Суриков", "Валериан Куйбышев", "Антон Чехов", "Дмитрий Фурманов", "Москва-23", "Заря-149", на ледоколах "Капитан Плахин" и "Капитан Евдокимов", на судах ледового плавания "Сибирь ский-2101", "Сибирский-2115", "0зерный-203", "Невский-22", а также на буксирах-толкачах в эксплуатационных рейсах.

Для проведения испытаний по торсиографированикз валопроводов и термометрированию упругих муфт разработана методика проведения испытаний, в которой регламентированы виды испытаний, условия и порядок проведения измерений, режимы работы СЭУ, места измерений, требования к содержанию и оформлению результатов. Торсиографирова-ние системы Д8Д выполнялось бесконтактной тензометрйческой аппаратурой Филипс при замерах напряжений в сечениях валов и электро-торсиографом Гейгера при замерах амплитуд колебаний носка колен -чатого вала двигателей. Регистрация исследуемых процессов и частот вращения производилась шлейфным осциллографом Н-700, магнитографами "Брталь и Къер" и "Тандберг". На валопроводах с высокоэластичными муфтами было проведено термометрирование и амплитудографирова -ние муфт. Измерение температуры резиновых элзментов муфт произво -дилось термоэлектрическим методом хромель-копелевой термопарой с помощью потенциометра постоянного тока типа ПП-63 и быстродействующим термометром "Хуго". В процессе ледовых испытаний фиксировалась толщина льда и снежного покрова, структура ледяного поляг, скорость

и направление движения судна, прочность льда» С цельв получения достаточно представительных опытных данных- о ледовых нагрузках были проведены длительные испытания валопроводов в оплошных и битых льдах толщиной от 0,25 до 1,0 и, сплоченность!) 8-10 баллов и прочности от 0,35 до 0,7 МПа. Суммарное время записи исоледуемых процессов ооотавляло от 1,5 до 5 часов, что дает достаточно полный отатистичеокий материал о нагрузках в водопроводе. Случайные процессы нагруженности элементов валопровода были обработаны с помок ьо методов математической статистики. Статистический анализ данных включал построение вариационного ряда исследуемой случайной величины 2 , определение количества реализаций различных уровней, средних значений Мг и средних квадратичеоких отклонений - стандартов Б г , а также определение РОО - эмпирическмх функций распределения вероятностей относительных величия

В результате было установлено, что амплитуды переменного крутящего момента и ледового изгибавяего момента подчинявши закону близкому к экспоненциальному о плотностьв распределения вероятно-

Б результате натурных испытаний получены напряжения и моменты в элементах 1ВД и температура резиновых элементов упругмх муфт, которые явились базой для обеспечения прочности и долговечности элементов валопроводов при действии крутильных колебаний.

Третья глава посвящена исследованиям вращения валопроводов в турбинном режиме.

Установлено в процессе испытаний пассажирских теплоходов, что один из неработаоцих валопроводов оказывается в турбинном режиме в диапазоне (0,15-0,45) от номинальной частоты вращения двигателей^ Результаты расмотреная крутильных колебаний систем ДВД пока-

Х = (Мг-Мг)/5 г

стей

Мг

зали, что наиболее нагруженным элементом системы является высокоэластичная муфта. Основные резонансы, нагружающие муфты, расположены в зона пусковых частот вращения двигателей. Действующий на резонансной частоте вращения в турбинном режима эластический мо -мент Рг , кНм, составляет (0,42-0,86) от номинального момента муфты и в два-четыре раза превышает допускаемые значения для длительной работы. Стандарт эластического момента на резонансной частоте вращения валопровода в турбинном режиме составляет 1> ■ 0,73 Ррез при среднем квадратическом отклонении (3 «+0,036 кН , где Ррез - величина эластического момента на резонансной частоте вращения при нормальной работе двигателя, кНм.

При выполнении расчета крутильных колебаний валопровода в турбинном режиме была принята методика вероятностного подхода к опре -делению резонансных амплитуд колебаний путем объединения дифферен -цированного и статистического способов учета трения в элементах системы ДВД. Основу расчета составляли методика В.П.Терских и методика расчета резонансных колебаний К.Н.Пахомова и Г.И.Бухариной,которые были уточнены автором применительно к турбинному .режиму.

Установлено, что главным возбудителем крутильных колебаний системы ДВД в турбинном режиме являются моменты от сил давления воздуха в цилиндрах двигателя М?В . Моменты от сил инерции кривонипно-шатунного механизма Мри незначительны и составляют

М*и = 0,05|%

Для четырехтактных двигателей простого действия возмущающий момент М» , Нм, действующий на одно колено вала, при его вращении в турбинном режиме может быть определен из выражения

М*=Н.05-Ю6ЗГСа|?Рс , (1)

где Б , Я - диаметр цилиндра и радиус колена, и;

- давление сжатия воздуха в цилиндре, №.

Теоретические амплитуды отличаются от экспериментальных не более чем на 10-15 %.

В процессе регулярных наблюдений в течение семи навигаций за эксплуатацией муфт и их состоянием выявлены характер и места деформации резиновых элементов, наработка и виды разрушения. Предложена последовательность контрольных осмотров муфт и замены их резиночых элементов.

Установлено, что внутренняя поверхность резиновых элементов муфт разрушается в полтора-два раза интенсивнее, чем наружная.

На оснований исследований определено, что на срок службы муфт оказывают' существенное влияние:

повышенные нагрузки, вызванные развитием резонанса третьего порядка одноузловой формы крутильных колебаний валопроводов в диапазоне пусковых частот вращения двигателя, работа СЭУ на которых проявляется особенно в период вращения валопровода в трубинном режиме;

неудовлетворительное состояние гребных винтов из-за частых погибов лопастей;

повышенная низкочастотная вибрация амортизированного главного двигателя;

необратимые изменения физико-химических свойств материала резины, потеря упругости в результате естественного старения.

Фактор потери упругости из-за старения резины заслуживает особого внимания, так как при этом происходит смещение резонанса третьего порядка от пусковых частот вращения в сторону минимально устой-'чивых и, тем самым, значительный рост динамических нагрузок при работе СЭУ в районе минимальных частот вращения.

Учитывая Факторы, влияющие на срок службы му'т в период их эксплуатации, целесообразным является оценка их долговечности по результатам испытаний, то есть торсиогра^ированию валопроводоз и

термометрированию муфт, как наиболее достоверным параметрам.

Анализ результатов натурных испытаний и срока службы муфт на рассматриваемых головных судах позволил установить, что долговечность Б . ч, зависит от амплитуды эластического момента Ру > кНм, в муфте при вращении валопровода в турбинном режиме, перепаде температур АТ, °С, в муфте при ее термометрировании в околорезонансной зоне на минимально устойчивой частоте•вращения, номинального момента шн, кНм, муфты и может быть определена по формуле:

л- кП-ср__( }

лТСРт/Мн) ()

где К - величина, характеризующая выносливость резинокордного элемента от фактора теплового старения в течение его службы, град.ч; - коэффициент, характеризующий продолжитель-

ность вращения валопровода в рабочем диапазоне частот вращения за навигацию.

Здесь ¿С—^л.^ы ; "Ьн - время вращения валопровода за навигацию, соответствующее наработке главного двигателя, ч; - ВР0-мя вращения валопровода з запретной зоне за навигацию, ч, которое определяется по формуле:

1з.Эк=ПС-Р(±Р+±т), (3)

где ПС - общее количество пусков и остановок двигателя за навигацию; Р - среднее число реверсов в процессе одной швартовной операции теплохода ; "ЬР - время одного реверса ; "1Т - среднее за навигацию время вращения валопровода в турбинном режиме в процессе швартовных операций, движения теплохода в каналах и на мелководных участках; (Рг/Мн)- коэффициент, характеризующий нагружен-ность муфты на резонансной частоте вращения в турбинном режиме.

Фактическая наработка муфт до отказа на исследуемых пассажирских судах позволила определить значение величины К * 236•Ю3град .ч

со среднеквадратическим отклонением б » ±38,5-Ю3 град-ч при принятой доверительной вероятности Р » 0,9. Величина«^ находится в пределах 0,01-0,04. В связи с этим, долговечность муфт может быть определена по формуле:

Л = г30Ч°Ь (4)

и ДТ(Рг/Мн)

Вычисленная по формуле (4) расчетная долговечность муфт хорошо согласуется с фактической.

Четвертая глава посвящена исследованию нагрева упругих муфт типа МЭНШ под действием динамических нагрузок от крутильных колебаний. Проанализирован метод расчетного определения температуры нагрева резинокордных оболочек высокоэластичных муфт, которая в основном и определяет работоспособность этих муфт при крутильных колебаниях. Установлено, что динамические нагрузки в резинокордных элементах упругих муфт, возникающие от крутильных колебаний системы ДВД, вызывают разогревание этих элементов, что при Т>80°С приводит к изменению их механических свойств и снижению усталостной прочности. Поэтому за критерий допустимости динамических нагрузок от крутильных колебаний принята температура нагрева резинокордных элементов муфт. Нагрев резиновых элементов от дина-шчэского нагружения является результатом разности между гистере-зисными теплообразованием и потерями тепла в окружающеую среду.По-казано, что для валопроводов речных судов существующие методы расчета дают существенно завышенные величины указанных температур. .На судах речного флота линии валопроводов значительно короче морских и в районе установки муфт отсутствуют подшипники скольжения, которые создают температурный подпор. Упорный вал лзжш1 на радиальном подшипнике качения. Осевой упор воспринимается радиально-упор-ным подшипником.

Предлагается при расчете температуры рассматривать резинокорд-

ную оболочку как стенку с внутренним тепловыделением и отводом тепла в окружающую среду в обе.стороны, а не считать одну из сторон теплоизолированной, как это принято для морских судов. Анализ результатов термометрирования позволил вывести следующую формулу:

Тт<« = То + 12;5-ШЧ-^0+^-), <5,

в которой максимальная температураТтох, °С, резиновой оболочки определялась как температура плоской стенки толщиной И , м, с тепловыделением , Вт/м3, в единичном объеме, с отводом тепла в воздух с коэффициентом теплоотдачи оС , Вт/м*" °С, как с внешней, "так и с внутренней сторон оболочки. "То - температура окружающего воздуха, °С; АР - коэффициент теплопроводности резиновой оболочки, Зт/м °С.

Сопоставление расчетных и экспериментальных величин температуры муфт ЮКШ 500 и ШКШ 600 на судах проектов Р 51, Р14А, РЮЗ, Р83, Р96/2001, 81350 с гласными двигателями ЭД5Н-150, ЗД12А, 64НСП 18/22, М401 показал их удовлетворительное согласование.

Пятая глава посвящена исследованию нагрузок,действующих на валопроводы речных судов ледового плавания.

Специфической особенностью условий работы системы ДВД ледоколов и судов ледового плавания являются эпизодические взаимодействия гребного винта со льдом, приводящие к торможению движителя, возрастанию нагрузок на валопроводе и возбуждению крутильных колебаний системы ДВД.

Выявлено, что при ледовом взаимодействии гребного винта напряжения в сечениях промежуточного и гребного валов возрастают в 10-12 раз от крутильных колебаний, 8-12 раз от изгибающего момента гребного винта, при этом упор гребного винта возрастает в 2,5-3 раза. Результаты статистической обработки опытных данных показали, что ледовые нагрузки имеют явно выраженный случайный характер. От- .

носительная длительность ледовых нагрузок из-за небольших осадок и бортового расположения движителей у речных судов больше, чем у морских.

Взаимодействия гребного винта со льдом приводят к возрастанию среднего крутящего момента Мер на валу в 1,5-3,5 раза по сравнению с номинальным Ми и снижению частоты вращения вала в 1,3-4 раза.

Амплитуды переменного крутящего (эластического) момента Мк на валопроводе в процессе ледовых взаимодействий претерпевают сложные нерегулярные изменения, однако максимальные их величины располагаются в районе резонанса крутильных колебаний одноузловой формы с возбуждением лопастной частоты.

Максимальное значение Мк при ледовом взаимодействии превосходит номинальный крутящий момент двигателя Мн в 3,5-7 раз, а максимальное значение ледового изгибающего момента Ми - в 6-7 раз, что свидетельствует о высоком уровне ледовых нагрузок и их определяющей роли для прочности валопровода.

Определены стандарты переменного крутящего 5ц и ледового изгибающего 5и моментов для речных ледоколов Бк" (0,3-0,6)Ми, 5И- 0,5 Ми ; для судов ледового плавания

5к«С0,2-0,Ч)Мн, Би® 0,35 Мн

Анализ переменных крутящих моментов позволил получить математическую модель статистического описания их амплитуд в зависимости от толщины льда Ь , м, диаметра гребного винта Д , м, моментов инерции вращающихся масс двигателя ВЗЬ и гребного винта с лрисо-•единенной массой воды бе. Таким образом, стандарт амплитуд переменных крутящих моментов 5к, кНм, может быть описан выражением

где А - обобщенное значение прочностных характеристик льда, Па.

Для речных судов Д * 5,1 МПа.

-При случайном характере ледовых нагрузок задача обеспечения с высокой надежностью прочности элементов ДВД состояла в определении эквивалентных по повреждающему действию стационарных нагрузок, напряжений в валах и их предельно допустимых величин. Оценка усталостной прочности базировалась на гипотезе линейного суммирования повреждений. Показано, что усталостная прочность промежуточных валов обеспечивается при действии переменного крутящего момента, эквивалентное значение которого составляет для ледокодов -M к. а » I,9Mhî для судов ледового плавания

М*" 1.2 Ми (7)

Для гребных валов эквивалентная нагрузка, состоящая из переменного крутящего и ледового изгибающего моментов, составляет для ледоколов

для судов ледового плавания Мр» (1,0-1,25)Мн

В связи с этим, для обеспечения усталостной прочности промежуточных и гребных валов, изготовленных из стали с временным сопротивлением от 430 до 690 МПа без поверхностного упрочнения обкаткой в районе конуса гребного винта, расчетные диаметр!/ валов, определенные по формулам Речного Регистра РСФСР,должны быть увеличены: у ледоколов при толщине льда 0,6-0,8 м промежуточных и упорных валов иа 40 5?, гребных - на 60

у транспортных судов ледового плавания при толщине льда 0,2-0,35 м - соответственно на 5 и 10-15 %, а при толщине льда 0,4-0,6 м - на 10 и 20-25 %.

Кроме того, гребные валы в районе кормовых подшипников должны иметь прочность, обеспечивающую их надежность при нагрузках, возникающих в случае поломки лопасти гребного винта» В связи с этим соответствующие требования Правил классификации и постройки морских судов Регистра СССР рекомендуется распространить на речные ледоколы и суда ледового плавания«

Для снижения динамических нагрузок от крутильных колебаний системы ДЗД необходимо, чтобы резонансы с главным возбудителем лопастной частоты располагались вне рабочего диапазона частот вращения главного двигателя.

Число лопастей гребного винта должно быть отличным по кратности от числа цилиндров двигателя»

Подученные таким образом диаметры валов могут быть учтены на ранней стадии проектирования.

Шеотая глава посвящена внедрении результатов исследования и определению их экономической эффективности. Рекомендации по эксплуатации высокоэластичных муфт с оценкой их долговечности нашли практическое применение в пароходствах ВОРП, МРП, КРП, СЗРП,Енисейском речном пароходстве и др., эксплуатирующих пассажирские теплоходы проектов 92-016, Цу-040, Цу-040А, Ку-056, 301, 302 и грузовые суда проекта 0225. Результаты натурных испытаний и теоретических исследований работы судов в ледовых условиях исполь-аованы Ленинградским институтом водного транспорта и ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова. Предложенные методы торсиографирования водопроводов и термометрирования упругих муфт включенп в ГОСТ 26046-83 "Общие требования к испытаниям на крутильные колебания". На базе исследований крутильных колебаний разработаны и внедрены рекомендации по определению запретных зон частот вращения, в которых эксплуатация СЭУ недопустима, что позволяет значительно уменьшить вероятность поломки наиболее нагруженного элемента системы ДВД. Определено, что без внедрения рекомендаций вероятность разрушения резиновых элементов муфт при вращении валопровода в турбинном режиме в запретной зоне в полтора-два раза чаще, чем при их естественном износе (учитывая усталостную прочность и величину действующих нагрузок, в том числе в турбинном режиме в процессе швартовных операций)„

Экономический эффект от внедрения результатов работы, полученный благодаря предотвращению возможного ущерба от выхода из строя высокоэластичных муфт, как наиболее нагруженных элементов систем ДВД, составил 121,9 тыс.руб.

Использование полученных результатов ЦНИИ им,акад.А.Н.Крылова дало экономический эффект 5 тыс.руб.

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов исследований, подтвержденный актами внедрения, составил 126,9 тыс.руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная работа направлена на повышение надежности и долговечности элементов валопроводов. Полученные в диссертации результаты позволяют сделать следующие выводы;

1. Установлено, что в многовальных установках с зысокоэлас-тичными муфтами, при расположении основного резонанса одноузловой (валопроводной) формы колебаний, нагружающего муфту в зоне пусковых частот вращения двигателя, необходимо учитывать турбинный режим на стадии выполнения расчета крутильных колебаний системы ДВД и в процессе торсиографирования. В этом случае значение допускаемого эластичного момента следует принимать как для условий дли -тельной эксплуатации.

2. На базе выполненных исследований выявлены факторы, оказывающие существенное влияние на эксплуатационную надежность высокоэластичных муфт. Показано, что вращение валопрозода в турбинном режиме оказывает существенное влияние на работоспособность эластичных муфт и является одним из основных источников их перегрузок.

3. На основании анализа крутильных колебаний валопроводов с высокоэластичными муфтами их торсиографирования и термометрироваяия определена периодичность и последовательность контрольных осмотров и замены резиновых элементов муфт в зависимости от характера и места их деформации, которые используются судовыми механиками и слуз -

вами пароходств.

4. Разработан метод расчетной оценки долговечности высокоэластичных муфт, позволяющий прогнозировать их срок службы, который используется службами пароходств и проектно-конструкторскими бюро в процессе приемо-сдаточных испытаний головного теплохода на стадии торсиографирования валопроводов и термометрирсвания муфт для своевременной замены и заказа резиновых элементов.

5. Предложен метод расчетного определения температуры нагрева резинокордных оболочек высокоэластичных муфт типа МЭКШ, кото -рый используется проектно-конструкторскими бюро при выполнении расчетов крутильных колебаний валопроводов на стадии разработки технического проекта для решения вопроса о допустимости применения этих муфт.

6. По результатам натурных испытаний и теоретических исследований крутильных колебаний валопроводов в ледовых условиях предложено статистическое описание нагрузок, свойственных валопроводам речных судов ледового плавания, которое используется в процессе проектирования валопроводов при оценке их усталостной прочности.

7. На основе статистического анализа результатов натурных испытаний судов в ледовых условиях определено требуемое усиление гребного и промежуточного валов этих судов, которое используется конструкторскими бюро и проектными институтами, занимающимися проектированием валопроводов.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

I. Чернов С.Е., Тайхкан Д.Л. Крутильные колебания валопроводов силовых установок с двигателями типа НВД. -Производственно-технический сборник. ЦБНТИ Минречфлота, 1973, вып.124, с.3-11.

.'с. Чернов С.-.. О крутильных колебаниях судовых валопроводов с двигателями 8ЧНСП 16/^2. - Произв.-техн.сб., 1973, вып.125,

- с.32-35.

3. Чернов С.Е., ТаЯхман Д.Л. Допускаемые напряжения в валопрово-дах. - сб.:Передовой опыт и новая техника. ЦЕНТИ Минречфло-та, 1975, вып.18. - с.43-45.

4. Чернов С.£., Капитанаки и.К. Повышение надежности работы валопроводов. - В сб.:Передовой опыт и новая техника. ЦБНТИ

;<1инречфлота, 1975, вкл. 1о. - с.37-38.

5. Пахомов К.Н., Чернов С.й. К расчету температуры резинокордных

элементов шинных муфт при действии динамических нагрузок от крутильных колебаний. -Зопросы судостроения. Серия: Судовые энергетические установки, 1976, вып.10. -с.84-87.

6. Чернов З.Е. Крутильные колебания валопрозодов судовых установок с двигателями 5 ШД46А-3. - Зопросы судостроения. Серия: Судовые энергетиче :кие установки, 1978, вып.14. - с.83-87.

7. Чернов C.iä. Um.:T применения соединительных высокоэластичных муг!т в судовых установках. - Судостроение, 1931, 4.

- с.23-26.

!?. Чернов C.S. Прове ;зниз испытаний валопрозода буксира-толкача "0T-I5U3" проекта PIJ3. - В сб.:Передовой опыт и новая техника, ЦЕНТЛ .»¡Ра, IS83, вып.9 (117). - с. 19-21. 9. Чернов С.З. Крутильные колебания валопроводов теплохода типа "Сибирский". - Речной транспорт, 1983, 7 3. - с.30-31.

10. Чернов С.2. Крутильные колебания валопроводов судов "Озерный--¿01". - Речной транспорт, 1983, 7. - с.40.

11. Чернов С.З. Надежность валопроводов судоз типа "Сибирский-2Пи".

- Речной транспорт, 1984, " о. - с.38.

[2. Чернов C.i. крутильные колебания валопроводов судоз. - Речноч транспорт, 1985, 1:1 5. - с.36-37.

13. Чернов С.S. Испытания валопроводов ледокола "впитан Евдокимов".

- Речной транспорт, 1905, f 7. - с.34-35.

14. Чернов O.S., Меркулов З.А. Нагрузки валов речных ледоколов.

- Речноч транспорт, ISQ5, JT ô. - с.31-32.

15. Чернов С.З. О долговечности высокоэластичных му<;т. - Речной транспорт, 1987, К- II. - с.35-40.

IÔ. Общие требования к проведению испытаний крутильных колебания валопроводов судов знутреннего плавания. Стандарт пр-эодриятия СТП 1.58-80, ЦТКБ :<1инречфлота, 1980. - 12 л. 17. A.c. IIII040. Устройство для тарировки и измерения сил;.: упора гребного вала /В.Г.Пазленко, Н.Т.дерззянченко, Чернов, В.И.Аксененко - 3Ô0U73I/; Заявлено 3I.0o.83; Опубл. 30.08.c4. Еюл. Ц 32 //Открытия. Изобретения. - 1984, » 32. - с.UÎ.