автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Повышение ресурса металлических дейдвудных подшипников судового валопровода

На правах рукописи

ЧАНЧИКОВ ВАСИЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕЙДВУДНЫХ ПОДШИПНИКОВ СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА

Специальность 05.08.04 - Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 4 окт ш

Астрахань - 2013

005535795

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «АГТУ»),

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Механика и инженерная графика» ФГБОУ ВПО «АГТУ» Перекрестов Аршавир Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

зав. каф. «Эксплуатация судовых энергетических установок» ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта» Матвеев Юрий Иванович

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Судовая автоматика И измерения» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» Равин Александр Александрович

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова».

Защита диссертации состоится « 15 » ноября 2013 г. в 14 00 часов на заседании диссертационного совета Д 307.001.07 при Астраханском государственном техническом университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, главный учебный корпус, ауд. 313.

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16., ФГБОУ ВПО «АГТУ», диссертационный совет Д 307.001.07, тел.: (8512) 61-41-90, e-mail: a.rnbanl974@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «АГТУ» по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16.

С авторефератом можно ознакомиться на сайте АГТУ http://www.astu.org.

Автореферат разослан «14» октября 2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Рубан А.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Известно, что преодоление трения в процессе работы оборудования, машин и механизмов поглощает до 30-40% всей вырабатываемой энергии, а потери в промышленности развитых стран вследствие трения и износа достигают 4-5% национального дохода. В этой связи, не являются исключением и подвижные сопряжения в судовой технике.

Эффективность работы судов зависит от надежности функционирования устройств, систем, энергетических установок. Наиболее важной и ответственной составляющей двигательно-движительного комплекса судна является вапопровод. Проблема повышения эксплуатационной долговечности судовых валопроводов во многом определяется безотказной работой дейдвудных подшипников (ДП), которые находятся особенно в тяжелых условиях эксплуатации, что вызывает повышенное изнашивание и снижение ресурса ДП.

Основными причинами, ограничивающими применение металлических ДП, являются: износ кормового подшипника, утечка нефтепродуктов в окружающую водную среду вследствие износа манжетных дейдвудных уплотнений (ДУ), что влечет за собой финансовые потери судоходных компаний из-за уплаты штрафов, значительного перерасхода смазочных материалов, а также ремонта ДУ каждые 3-4 года. Тем не менее, количество судов, снабженных металлическими ДП, составляет 35% (45 тысяч судов) мирового гражданского флота.

В настоящее время норма утечки масла из дейдвудной трубы установлена Регистром Ллойда и составляет 6 л/сут. Для мирового флота это дает объем загрязнения водной среды около 80 млн. литров в год при средней годовой наработке судна 6000-7000 ходовых часов. Причем загрязнение морской сферы водным транспортом будет расти соответственно возрастанию значения этого вида транспорта в мировой экономике. Согласно данным Национальной администрации по океанографии и атмосфере США, ожидается, что объем международной торговли возрастет к 2020 г. в 3 раза по сравнению с 1995 г. и 90% перевозок будет осуществляться водным транспортом. Тем временем, в морской политике европейских и других стран указывается полное исключение утечек нефтепродуктов с судов в водную среду к 2020 г.

В связи с этим, в работе рассматриваются актуальные вопросы разработки технологии повышения ресурса, надежности и безопасности металлических ДП и ДУ судовых валопроводов на основе применения магнитных смазочных материалов (МСМ).

Объект исследования - металлические ДП и манжетные ДУ валопроводов судов смешанного (река-море) плавания с судовой энергетической установкой мощностью 13002300 кВт.

Предмет исследования - трибологические процессы в металлических ДП и манжетных ДУ.

Цель работы — повышение износостойкости, ресурса и безопасности эксплуатации металлических ДП и манжетных ДУ за счет применения МСМ. При этом решались следующие задачи:

1. Проанализировать и оценить эксплуатационные и конструктивные особенности металлических ДП, а также рассмотреть современные способы повышения надежности функционирования ДП и ДУ;

2. Разработать технологию получения магнитных противоизносных присадок и смазочных композиций на их основе, а также оценить трибологическую эффективность получаемых МСМ;

3. Разработать технологию применения МСМ в ДП судовых валопроводов и оценить ее эффективность;

4. Провести экспериментальные исследования изнашивания пары трения «вал - втулка» в среде МСМ;

5. Рассчитать ожидаемую экономическую эффективность от внедрения МСМ на судах различного водоизмещения.

Методы исследования. В проведенных исследованиях применялись теоретический, экспериментальный и расчетно-аналитический методы. Методологической базой диссертационной работы являются исследования таких ученых, как Лубенко В.Н., Комаров В.В., Румб В.К., Гаращенко П.А., Рубин Б.М., Соков Е.В., Болотин В.В., Покудин В.Г., Дроздов Ю.Н., Крагельский И.В., Чичинадзе А.В., Розенцвейг Е.Е., Берковский Б.М. Научная новизна:

1. Разработана технология получения магнитных противоизносных присадок и смазочных композиций на их основе;

2. Рассчитаны основные физико-химические характеристики магнитных противоизносных присадок;

3. Предложена инновационная технология повышения надежности и безопасности эксплуатации металлических ДП с применением МСМ;

4. Разработана и запатентована конструкция экспериментальной установки для испытаний МСМ на трение и износ.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа и оценки эксплуатационных и конструктивных особенностей металлических ДП, а также современных способов повышения надежности функционирования ДП и ДУ;

2. Технология получения МСМ;

3. Методика расчета физико-химических параметров магнитных присадок;

4. Методика применения МСМ в ДП;

5. Конструкция запатентованной машины трения;

6. Результаты лабораторных и натурных испытаний МСМ на трибологическую эффективность.

Достоверность результатов основана на экспериментальных исследованиях, теоретическом обобщении большого количества исследований отечественных и зарубежных авторов. Использованы современные средства и контрольно-измерительные приборы для измерения триботехнических и физических параметров конструкционных и смазочных материалов: машина трения СМТ-1, электронный микроскоп Quanta 200 3D - SEM/FIB (DualBeam™), анализатор размеров частиц HORIBA LB-550.

Расчетно-теоретические исследования и обработка экспериментальных данных проводились с использованием современных лицензионных программных продуктов «Statistica», «Mathcad 14», «Microsoft Office Excel 2007». Практическая значимость работы:

1. Разработана и предложена к использованию технология применения МСМ в металлических ДП;

2. Проведены экспериментальные исследования изнашивания пары трения «вал -втулка» в среде различных смазочных материалов и композиций на запатентованной машине трения, которые подтвердили высокие триботехнические характеристики магнитных смазочных композиций;

3. Выявлен смазочный состав, рекомендуемый к применению в целях наиболее безопасной и долговечной работы дейдвудных устройств;

4. Выполнены экономические расчеты ожидаемого экономического эффекта от внедрения МСМ на различных судах, результаты которых являются положительными.

Апробация работы. Основное содержание исследований по мере их выполнения докладывалось и обсуждалось: на заседаниях кафедры «Теоретическая и прикладная механика», на заседаниях кафедры «Технология металлов», на заседаниях Ученого совета Механико-технологического института ФГБОУ ВПО «АГТУ»; на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «АГТУ» (2008-2013 г.); VIII-X Московский

международный салон инноваций и инвестиций (г. Москва, 2008-2010 г.); XII Международный салон промышленной собственности «Архимед-2009» (г. Москва, 1-3 апреля 2009 г.); Конкурс инновационных проектов «Каспийский инновационный форум» (г. Астрахань, 8-10 февраля 2009 г.); Международная научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2010» (г. Астрахань, 11-14 мая 2010 г.); Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс» (г. Астрахань, 13-15 октября 2010 г.); VI Международный симпозиум по трибофатике (Республика Беларусь, г. Минск, 25 октября - 1 ноября 2010 г); V сессия Научного совета РАН по механике деформируемого твердого тела (г. Астрахань, 31 мая - 5 июня 2011 г.); XI Международная конференция «Трибология и надежность» (г. Санкт-Петербург, 27-29 октября 2011 г.); I Международная научно-практическая конференция «Теория и практика промышленного развития экономических систем» (г. Астрахань, ноябрь

2011 г.); XII Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи (г. Москва, 26-29 июня 2012 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Исследования молодых ученых — вклад в инновационное развитие России» (г. Астрахань, 10-13 октября

2012 г.); Межрегиональный конкурс «Лучший инновационный проект» (г. Астрахань, 2013 г.).

Публикации. Материалы диссертационного исследования опубликованы в 20 научных работах, в том числе 8 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 свидетельства Роспатента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 3 приложений. Общий объем работы составляет 173 страницы, 71 рисунок, 43 таблицы. Список использованных источников включает 131 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность темы, научная новизна, практическая ценность, область реализации результатов, дается краткое изложение глав работы.

В первой главе проведен анализ конструктивных и эксплуатационных особенностей металлических ДП, а также факторов, оказывающих влияние на ресурс и безопасность функционирования ДП, рассмотрены особенности изнашивания ДП и ДУ, проанализированы современные способы увеличения ресурса металлических ДП и ДУ.

Приведен обзор работ, посвященных исследованиям различных ДП. Показано, что большой вклад в области повышения износостойкости и ресурса данных узлов трения внесли Лубенко В.Н., Комаров В.В., Румб В.К., Гаращенко П.А., Рубин Б.М., Соков Е.В., Болотин В.В., Покудин В.Г. и др. За рубежом большое внимание этим вопросам придают в Германии, США, Японии, Великобритании.

Определены основные эксплуатационные достоинства и недостатки различных ДП (неметаллических и металлических). В соответствии с этим объектом исследования в работе является металлический ДП, поскольку данный узел трения обладает одним существенным недостатком, который необходимо устранить, - утечка смазочных материалов в окружающую среду.

Металлические ДП устанавливаются на морских судах и судах смешанного плавания различных типов: на среднетоннажных нефтеналивных судах дедвейтом 12-20 тыс. т и судовой энергетической установкой (СЭУ) мощностью 2300-7000 кВт, на спасательных судах водоизмещением 1,5-2 тыс.т и СЭУ мощностью 2000-2500 кВт, на морских буксирах проектов МБ-400 и МБ-6035 и др.

Анализ статистических данных для судов Азово-Черноморского бассейна (табл. 1) показал, что наибольшее число отказов и аварий дейдвудных устройств с металлическими ДП возникает на средне- и крупнотоннажных судах, утечки смазочных материалов с которых представляют особую опасность для моря.

Таблица 1

Аварийность системы «гребной вал - дейдвудное устройство»

Показатель Диаметр гребного вала, мм

100-199 200-299 300-399 400 и более

Число обследованных судов 3599 640 431 284

Среднегодовой процент аварий системы 3,72 8,12 6,31 25,54

Проведен обзор и анализ основных факторов, определяющих надежность металлических ДП валопроводов. В результате выявлено, что основным ограничителем ресурса металлических ДП является износ кормового манжетного уплотнения, а также пары трения «шейка вала - вкладыш подшипника».

Проанализированы особенности процесса изнашивания и режимы смазки пары трения «шейка вала - вкладыш подшипника», а также выявлены факторы и критерии, обусловливающие нормальную работоспособность ДП. Определены смазочные материалы, наиболее применяемые в металлических ДП различных типов судов, стоимостные характеристики которых приведены в таблице 2.

Таблица 2

Стоимостные характеристики различных смазочных материалов

Смазочный материал Средняя стоимость, руб./1 л

М-14Г2ЦС (ГОСТ 12337-84) 45

М-16Г2ЦС (ГОСТ 12337-84) 50

MOBIL GARD 570 180

SHELL RIMULA XI5 W40 530

SHELL VITREA M220 170

SHELL ARGINA T40 720

SHELL ALEXIA LS 730

STATOIL STERNWAY Bio 100 800

В результате анализа современных способов повышения износостойкости и ресурса металлических ДП и ДУ, выявлен наиболее технически и экономически выгодный способ -усовершенствование смазочной среды.

Первая глава заканчивается выводами и постановкой задач исследования.

Во второй главе приведена общая характеристика смазочных материалов (масел и присадок), применяемых в дейдвудных устройствах, а также рассмотрены свойства МСМ, способы их получения и целесообразность применения в узлах трения скольжения.

Приведен обзор многочисленных смазочных материалов и присадок к ним, применяемых в узлах трения скольжения. Отмечено, что наряду с обычными смазочными материалами и их композициями в настоящее время в технике получили широкое распространение смазочные материалы на магнитной основе. По своим триботехническим, вязкостным и реологическим свойствам магнитные жидкости превосходят обычные смазочные масла и композиции.

На основании проведённого анализа физико-химических и трибологических свойств магнитных жидкостей (МЖ) отмечено, что для придания устойчивости МЖ в гравитационном и магнитном полях необходимо обеспечить получение частиц ферромагнетика размером от 10 до 100 нм.

Была разработана и запатентована (патент РФ №2276681) противоизносная магнитная присадка, представляющая собой мицеллы на основе молекул твердого пластичного оксида железа Рез04 с окружающими их молекулами олеиновой кислоты С18Н34О2, применение которой приводит к повышению смазочной способности масел. Молекулы олеиновой кислоты адсорбируются на поверхности магнетита в результате процесса хемосорбции. Оксид железа, входящий в мицеллу, характеризуется низким сопротивлением сдвигу и является пластичной смазкой, уменьшающей коэффициент трения и интенсивность

изнашивания подвижных сопряжений. Молекулы олеиновой кислоты, входящие в состав мицелл, предотвращают их слипание и дают возможность их нахождения во взвешенном состоянии в смазочной среде.

С целью получения экспериментальных образцов присадки с заданными характеристиками была разработана и апробирована соответствующая методика, а также создана лабораторная установка (рис. 1).

а б

Рисунок 1 - Лабораторная установка для получения магнитной присадки: а — принципиальная схема: 1 - колба Вюрца; 2 - термометр; 3 - холодильник Либиха; 4 - алонж; 5 - колба-приемник; 6 - баня; 7 - кипятильники; б - фото лабораторной установки.

Присадку следует получать следующим способом: исходный химически чистый порошок РезС>4 подается в шаровую мельницу, где он измельчается. На аналитических весах необходимо сделать навеску 1 г оксида железа, а мерным цилиндром - 100 мл олеиновой кислоты. Далее порошок РезС>4 направляется в воздушный холодильник, где находятся пары кипящей олеиновой кислоты при температуре 286°С. Здесь происходит конденсация паров олеиновой кислоты на поверхности более холодных частиц ИезОф Затем частицы попадают в охладитель, где их температура доводится до 25-30°С, капли присадки стекают в колбу-приемник. В результате рециркуляции концентрация присадки в растворе повышается, и по достижению заданной концентрации получаем 10% концентрат. Концентрат представляет собой присадку с мицеллами на основе РезС>4 и олеиновой кислоты, концентрат сливаем как готовый продукт.

После охлаждения полученной смеси, заливаем ее в установку с применением роторно-пульсационного аппарата, выполняющего функции диспергатора и гомогенизатора. Проводим дополнительное перемешивание и измельчение, в результате которого образовавшиеся мицеллы равномерно распределяются по всему объему.

Определены зависимости размеров и скорости седиментации мицелл присадки от времени воздействия ультразвука в базовом масле МС-20 (ГОСТ 21743-76) (рис. 2).

Для расчёта скорости осаждения мицеллы диаметром с/ = 53 нм определим силы, действующие на нее. В процессе осаждения частицы сила тяжести, действующая на дисперсную фазу, определятся по формуле:

/= = vpg,

где V = 4/3 я/-3 - объем частицы, м3; г - радиус мицеллы, м; р - плотность дисперсной фазы (Рез04), кг/м ; g = 9,8 м/с2 - гравитационная постоянная.

Диаметр Скорость

•ю" м/с

- »

/

7—

50 ...

40 - -

30 - - - -.....^ - -

20 - 0,5

10 0

1000 1500 2000 2500 3000 3500 Вромя, частиц, н..

Рисунок 2 - Физико-химические свойства экспериментальных образцов присадки Сила тяжести, действующая на дисперсионную среду находится из выражения:

где ро — плотность дисперсионной среды (олеиновой кислоты), кг/м .

Равнодействующая этих сил^ =/~/о = vg(p - ро)-

При этом сила трения, действующая на частицу радиусом г, равна

/' = ви, /с =/',

где В = бщг - коэффициент трения для частиц присадки; и - скорость осаждения мицелл, м/с; г] - кинематическая вязкость, Па с.

При стационарном режиме осаждения:

(Р " Роя) = Ви, У(Р ~ Рок = Ьщги.

Следовательно,

ц = у(р-р0)г = 4/Зяг3 (р-p0)g = 2 г2(р-ра)ё бтпу влгр 9т]

Рассчитаем скорость осаждения частиц присадки:

_ 2(15 ■ 10~9)2 (501 1 -900)9.8 _ 2г2(р-р„)Я _0 ; 1()_„ ^ 9-0.02 9п

С целью подтверждения эффективности данной методики была проведена независимая экспертиза экспериментальных образцов присадки в среде малосернистого дизельного топлива на трибометре НРЮ1. Были проведены сравнительные испытания по определению смазочной способности дизельного топлива марки Л вид II (ГОСТ 305-82), выпускаемого Астраханским газоперерабатывающим заводом, с введенной в него магнитной противоизносной присадкой (проба №11), результаты которых отражены в таблице 3.

Таблица 3

Наименование пробы Смазывающая способность, мкм по ЕЫ ИСО 12156

С выдерживанием шарика в магнитной камере Без выдерживания шарика в магнитной камере

У-1.731 Фракция 180-350"С от 31.08.11 616 595

У-510 резервуар 8 взлив 15.97 от 29.08.11 408 421

Проба №11 (предоставлена АГТУ) 214 337

Поскольку о смазочной способности дизельного топлива, в соответствии со стандартом EN ИСО 12156, судят по диаметру пятна износа, то по данным приведенной таблицы можно сделать вывод о высокой эффективности магнитной присадки, так как наименьшие диаметры пятна износа соответствуют испытаниям «пробы №11» (214 и 337 мкм).

МЖ может быть охарактеризована следующими особенностями: ее динамическая вязкость зависит не только от температуры и давления, но и от внешнего магнитного поля; наличие препятствий формированию кавитационных пустот; она демпфирует колебания, снижая вибрации и шум в узлах трения.

Исследования трибологических и эксплуатационных свойств масел МС-20 (ГОСТ 2174376) и Shell Vitrea М220, а также МЖ на основе масла М-16Г2ЦС (ГОСТ 12337-84), были выполнены на базе Научно-исследовательского центра коллективного пользования «Нанотехнологии и наноматериалы» (ФГБОУ ВПО «ГГНТУ»).

Исследуемая МЖ представляет собой коллоидный раствор, содержащий следующие компоненты: масло М-16Г2ЦС (ГОСТ 12337-84) и противоизносная магнитная присадка на базе Fej04. К маслу добавлялось к 1 об. % противоизносной магнитной присадки.

Результаты измерений динамической вязкости и напряжений сдвига для МЖ, базового масла и масла Shell Vitrea М220 представлены на рис. 3. Изменения динамической вязкости в зависимости от скорости сдвига существенны, поскольку приводят к снижению вязкости на 30% для масла Shell. Это характерно для скоростей сдвига от 170 до 3,6-105 с"1.

Следует отметить, что в сопоставимых температурных условиях и при одинаковых скоростях деформации наблюдаются значительные различия вязкости смазочных сред. Наибольшей вязкостью обладает МЖ, а наименьшей - базовое масло.

На рис. 4 представлены результаты измерения динамической вязкости при изменении продольно и поперечно направленной индукции магнитного поля. Они показывают, что направление силовых линий внешнего поля существенно влияет на динамическую вязкость. Изменения ц в продольном магнитном поле имеют порядок нескольких сотен процентов.

0,22 0,21 0,2 0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 О

i

I

V ♦— -

-1

W

1

15000 30000 45000 60000 75000 90000 105000 120000 135000 150000 165000 180000

— Феррожидкость (масло М-16Г2ЦС+1% присадки)

-Shell Vitrea М220

- Базовое масло МС-20

Рисунок 3 - Зависимость динамической вязкости тестируемых смазочных материалов от скорости сдвига при температуре 50°С

В то же время в поперечном поле они составляют 40% при изменении магнитной индукции от 0 до 70 мТ. На основе полученных результатов можно заключить, что исследуемая МЖ имеет анизотропные магнитные свойства.

Н.мТ

Рисунок 4 - Зависимость динамической вязкости МЖ от индукции магнитного поля при

температуре 50°С

Как показывают результаты испытаний, реологические и триботехнические свойства МЖ удовлетворяют требованиям для масел, используемых для смазывания подшипников скольжения.

На основе представленных данных была разработана усовершенствованная присадка на мицеллярной основе. Ядро мицеллы РезС>4 содержит Со (II) при следующем соотношении компонентов, масс. %: Со (II) - 6%, РезС>4- 94%.

Предлагаемая присадка представляет собой жидкость из основного продукта с введением в него фазочистого магнетита, легированного кобальтом. Ядро частиц наноприсадки, состоящее из магнетита кобальта СоРезС>4, обладает достаточно высокими магнитными характеристиками и химической стабильностью. По сравнению с ядром из магнетита РезС>4, такое ядро обладает более высокими значениями магнитных характеристик коэрцитивной силой Нс, намагниченностью насыщения <т5 и коэффициентом прямоугольное™ петли гистерезиса Свойства данных ферромагнитных материалов показаны на табл. 4. Схема получения присадки показана на рис. 5.

Таблица 4

Свойства магнитных порошков

Состав Нс, Э о* К

Иез04 100 60-78 0,31

СоРе304 560 60-78 0,38-0,44

ьпщелчы

Рисунок 5 - Схема получения присадки на основе СоРез04

Усовершенствованная присадка позволяет при минимальной концентрации значительно снизить коэффициент трения и интенсивность изнашивания пар трения и, таким образом повысить ресурс трибосопряжений машин и механизмов.

Третья глава посвящена разработке и оценке трибологической эффективности технологии применения МСМ в металлических ДП.

С целью обеспечения попадания частиц магнитной противоизносной присадки в зону трения трибосопряжений «шейка вала - вкладыш подшипника» и «шейка вала - манжета» и

повышения ресурса ДП предлагается устанавливать на гребном валу в кормовой и носовой частях дейдвудного устройства источники магнитного поля в виде кольцевых постоянных магнитов, выполненных из магнитопластной ленты (рис. 6, 7).

постоянные мыгшггы

Рисунок 6 - Схема установки (а) постоянных магнитов (б) на гребном валу.

Рисунок 7 - Установка постоянного магнита в зоне носового дейдвудного уплотнения: 1 - гребной вал; 2 - постоянный магнит кольцевой формы.

На основе анализа различных факторов, влияющих на выбор материала постоянных магнитов (стоимость, эксплуатационные характеристики), сделан вывод, что в ДП следует устанавливать магниты из сплава альнико УА (остаточная индукция Вг = 1,2 Тл, коэрцитивная сила Нс = 57,3 кА/м), который является относительно недорогим материалом, устойчив к воздействию агрессивных сред, коррозии, а также отличается температурной и временной стабильностью.

Для расчета геометрических и физических параметров постоянных магнитов выбран метод эквивалентного соленоида, так как он отличается удобностью и относительной легкостью расчетов. Исходя из условий выбранной методики, применяем выражение для расчета напряженности магнитного поля по оси х, создаваемого кольцевым постоянным магнитом:

Я, =

М„

I-2х

+-

/ + 2х

+(/- 2х)2 ^2+(1 + 2х)

где /(, - относительная магнитная проницаемость; Мм - намагниченность постоянного магнита, А/м; / - длина магнита, м; ^ - внутренний диаметр магнита, м; х - координата на оси х.

Расчет напряженности магнитного поля производится для постоянного магнита, установленного в кормовой части дейдвудного устройства и обеспечивающего наличие магнитного поля на гребном валу (рис. 8).

На основе анализа полученных расчетных данных определены оптимальные геометрические параметры необходимых постоянных магнитов: длина - 10-50 мм при диаметре гребного вала в диапазоне от 100 до 1200 мм. При этом видно, что источник магнитного поля создает необходимую напряженность поля (5-50 кА/м) на гребном валу любого диаметра по всей длине ДП, которая может при определенных условиях достигать 2000 мм.

С целью оценки трибологической эффективности разработанной технологии рассчитаем коэффициент трения скольжения с помощью уравнения, полученного Ю.Н. Дроздовым:

/ = 0,021§- РНВ

м-гт

где Р - давление в зоне трения, МПа; НВ - твердость материала подшипника по Бринеллю, МПа; ц - динамическая вязкость смазочного материала, Па-с; Ут - скорость скольжения гребного вала, м/с; - приведенный радиус кривизны, м; Епр - приведенный модуль упругости для ДП и гребного вала.

Рисунок 8 - Картина напряженности магнитного поля, создаваемого на гребном валу постоянным магнитом с заданными параметрами:

I — расстояние до источника магнитного поля, с1 - диаметр шейки гребного вала.

При сближении трущихся поверхностей происходит изменение коэффициента трения и интенсивности изнашивания в большую сторону. Одновременно с этим увеличивается и давление на единичном контакте.

На рис. 9 показана зависимость коэффициента трения в паре «шейка вала - вкладыш подшипника» от номинального давления при условии смазки композицией М-16Г2ЦС + 1% магнитной присадки и наличии внешнего магнитного поля напряженностью 20 кА/м.

На основе анализа полученных расчетных данных можно сделать вывод, что применение магнитной противоизносной присадки в смазочных маслах металлических ДП в соответствии с разработанной технологией позволяет сохранять величину коэффициента трения в диапазоне 0,003-0,008 даже при граничном трении в паре «шейка вала - вкладыш подшипника», которое характерно для некоторых режимов работы валопровода.

трения

В четвертой главе приводятся описание методики и характеристика материалов для проведения экспериментов, результаты лабораторных испытаний пары трения «шейка вала -вкладыш подшипника» на изнашивание, а также выявлен смазочный состав, рекомендуемый к применению в дейдвудных устройствах с металлическими ДП.

Для осуществления экспериментов была модернизирована и подготовлена машина для испытания материалов на трение и износ 2070 СМТ-1 (рис. 10).

Рисунок 10 - Машина трения 2070 СМТ-1: а - общий вид: 1 - блок управления машиной трения; 2 - машина трения;

3 - коммутационные провода, соединяющие температурный датчик с регистратором;

4 - регистрирующее устройство; 5 - преобразователь; 6 - коммутационные провода;

7 - персональный компьютер; б - испытательная камера: 1 - корпус; 2 - неподвижный образец; 3 - подвижный образец; 4 - держатель образцов; 5 - датчик температуры; 6 - узел нагружения; 7 - лампы освещения; 8 - окошко; 9 - коммутационные провода.

Модернизация машины трения СМТ-1 заключается в следующем: 1. для уменьшения тепловой инерции и увеличения точности температурных данных применен датчик ТПЬО14-00 20/2н (ТХК) (рис. 10, б) и система передачи данных на ПК (рис. 10, а);

2. для создания в зоне трения магнитного поля и оценки смазочной способности магнитных жидкостей к испытательной камере прикрепляются катушки индуктивности, соединенные с блоком питания постоянного тока. Данное устройство создает магнитное поле напряженностью в диапазоне 0-30 кА/м.

Для определения износа пары трения был выбран метод измерения глубины и диаметра мерной базы, наносимой на поверхности трения экспериментальных образцов.

В соответствии с выбранной методикой определения износа испытуемых образцов пары трения «вал-втулка», на неподвижных образцах (материал - баббит марки Б83) были нанесены отпечатки специальным алмазным индентором на твердомере ТК-2М по методу Роквелла (рис. 11).

Для нанесения отпечатков на образцах был выбран режим предварительной нагрузки (100 Н). Отпечатки на образцах замерялись с помощью измерительного микроскопа МПБ-2. Для этого применялась специальная быстро затвердевающая паста, которая сохраняет форму и размеры получаемых слепков этих отпечатков. Именно эти слепки и необходимо замерить с точность до 0,05 мм. Данный процесс показан на рисунке 11, в.

а б в

Рисунок 11 - Применение метода мерных баз для измерения износа трущихся деталей: а - нанесение мерных баз на поверхности трения образцов; б - неподвижные образцы с отпечатками для измерения износа; в - измерение отпечатка мерной базы с помощью измерительного микроскопа МПБ-2.

В нашем случае, для цилиндрической поверхности глубина мерной базы определяется по формуле:

д/, = ~(1г -¿г т 8Д '

где ЛЬ - изменение глубины мерной базы; с!/, с12 - соответственно длина диагонали до и после износа; т - коэффициент пропорциональности; Я - радиус цилиндра. Диагональ мерной базы не превышает 1,5 мм.

Испытываемая пара трения является моделью трибосопряжения «гребной вал -вкладыш подшипника». Подвижный образец (рис. 12), выполняющий роль гребного вала, изготовлен из стали 35. _

_\/ЖЖ~

б

Рисунок 12 - Подвижный образец: а - общий вид образца; б - чертеж образца.

Неподвижный образец (рис. 13), выполняющий роль вкладыша подшипника, изготовлен из баббита марки Б83.

Мерные базы нанесены только на неподвижных образцах, поскольку твердость баббита Б83 значительно ниже твердости стали 35. В связи с этим, оценка износа производится только по изнашиванию неподвижных образцов.

а б

Рисунок 13 - Неподвижный образец: а - образец с нанесенными мерными базами; б - чертеж образца.

В качестве испытуемой смазочной среды выбраны различные масла. В качестве чистого базового масла выбрано смазочное масло марки МС-20 (ГОСТ 21743-76).

Были выбраны также смазочные масла, наиболее применяемые в ДП судовых валопроводов. Такими смазочными средами являются:

1. масло М-16Г2ЦС;

2. масло Shell Vitrea М220.

Моделирование процесса изнашивания подшипников скольжения осуществлялось для трения при чистой смазке и при наличии в смазочной жидкости примеси - магнитной присадки, на основе зависимости от безразмерных обобщенных критериев системы, разработанной Ю.Н. Дроздовым:

/ =

НВ,

Y

h

(l+aKfíl + p^-ст„ НВ,.

1 +

где р/НВ,,2 - безразмерный комплекс, характеризующий напряженное состояние в контакте (яр) (р - удельная нагрузка, МПа; НВ1,2 - твердость рабочих поверхностей вала и подшипника, МПа); А. /Ъ - комплекс, определяющий механизм контактирования (7гс„) (при

отсутствии механических примесей в смазочной жидкости Я*=(й^ + Нга )' ~, здесь До -среднее квадратичное отклонение шероховатости поверхностей, мкм; при наличии механических примесей X* = <За, если с1а У (л* + Д^ )"',и X = (к* + )'", если -< (д * + Д^)' "; здесь 11а - приведенный диаметр частиц, мкм; Ь - толщина смазочной пленки, мкм); Е12/а012 - комплекс, учитывающий пластичность и усталостную прочность материалов (я„) (Еи - модуль упругости I рода, МПа; 00,1,2 - предел усталости материалов, МПа); 1 + аК - критерий концентрации механических примесей (як) (а - коэффициент, учитывающий степень влияния концентрации частиц на износ; К - концентрация, кг примеси/кг жидкости); 1 + [ЗНВа/НВ1,2- критерий твердости примесей (ят) (|3 - коэффициент, учитывающий степень влияния коэффициента твердости частиц на износ; НВа - твердость механических примесей, МПа); 1 + увё/У - критерий формы частиц (яф) (у - коэффициент, учитывающий степень влияния геометрии частицы на износ сопряжения; у8(1а/У = Кф -коэффициент формы; 8, с!а, V - соответственно поверхность, приведенный диаметр и объем частиц); аь Ь] - показатели степени, определяемые на базе имеющейся информации об изнашивании материалов или при испытаниях аналогичных образцов.

Длительность каждого эксперимента составляет 2 часа, при этом скорость скольжения равна 0,3 с"', что соответствует неустановившемуся (граничному) режиму смазки в паре трения.

На рис. 14 приведены результаты сравнительных экспериментальных данных, из которых видно, что отечественное масло марки М-16Г2ЦС с введенной магнитной противоизносной присадкой проявляет конкурентоспособные показатели по сравнению со своим зарубежным дорогостоящим аналогом. При концентрации присадки в 1,5% масло М-16Г2ЦС лишь на 3-5% уступает маслу Shell по своим трибологическим свойствам.

С целью определения оптимальной концентрации магнитной присадки в смазочных маслах были проведены износные испытания пары трения «вал - втулка».

В качестве смазочной среды, в которую добавляется магнитная противоизносная присадка, выбрано масло МС-20 (ГОСТ 21743-76), поскольку оно является достаточно чистым и не содержит других присадок и аналогичных примесей.

На рис. 15 приведены графические зависимости интенсивности изнашивания и коэффициента трения от наличия в смазке присадки, нагрузки на образцы и напряженности магнитного поля в зоне трения.

Рисунок 14 - Зависимость интенсивности изнашивания трущихся образцов от марки масла, концентрации присадки и давления в зоне трения Исходя из экспериментальных данных (рис. 15), получаем, что наиболее экономически и технически выгодной является концентрация присадки в 1% при наличии внешнего магнитного поля напряженностью 20 кА/м.

Таким образом, к внедрению в производство рекомендуется смазочный состав М-16Г2ЦС (ГОСТ 12337-84) + 1% магнитной присадки (Ре304 + С18Н34О2).

-МС-20

МС-20 + 0,8% присадки - МС-20 + 1,2% присадки

МС-20 + 0,6% присадки МС-20 + 1% присадки МС-20 + 1,4% присадки

-МС-20

МС-20 + 0,8% присадки - МС-20 + 1,2% присадки

МС-20 + 0,6% присадки МС-20 + 1% присадки МС-20 + 1,4% присадки

Рисунок 15 - Изменение интенсивности изнашивания и коэффициента трения испытуемых

образцов от давления и концентрации присадки в масле при температуре 25°С: а - при отсутствии магнитного поля; б - при наличии магнитного поля напряженностью 20

кА/м.

Проведены сравнительные трибологические испытания присадки на основе Ре304 + С,8Нз402 и усовершенствованной присадки на основе СоРезС>4 + С18Н34О2 на машине трения (табл. 5).

Таблица 5

Состав присадки Концентрация присадки в базовом масле МС-20, % Коэффициент трения Интенсивность изнашивания

0,5 0,022 3,2-10 10

Ре304 + Ci8H3402 1 0,017 2,7-Ю'10

2 0,009 2,МО"'"

0,5 0,018 2,3-10 ш

CoFe304 + С18Н3402 1 0,012 1,2-10"'°

2 0,005 0,35-10"'"

Испытания проводили по схеме «вал-втулка», на базовом масле МС-20 (ГОСТ 2174376) в течение 5 часов, напряженность магнитного поля составляла 20 кА/м, давление в зоне трения составляло 1,5 МПа. Скорость скольжения составляла 0,3 с" , что соответствует неустановившемуся (граничному) режиму смазки в паре трения. Материалы пары трения -баббит марки Б83 (втулка) и сталь 35 (вал).

Усовершенствованная противоизносная магнитная присадка с более стабильной по времени намагниченностью частиц способствует значительному повышению триботехнических и эксплуатационных характеристик трибосопряжений.

С целью подтверждения заявляемых параметров присадок были проведены испытания предлагаемых присадок (Рез04 + С18Н34О2 и СоРез04 + С18Н34О2) в составе масла М-16Г2ЦС на судах МБС «Эпрон» и МБ-6035. Условия и результаты испытаний приведены в таблице 6.

Внедрение магнитных смазочных материалов в ДП и ДУ судовых валопроводов способствует увеличению износостойкости и ресурса данных узлов трения в 2-2,5 раза. Общая экономия при эксплуатации судов в указанный период составила около 700 тыс. руб.

Рассчитана экономия финансовых средств при переходе на предлагаемый смазочный состав (М-16Г2ЦС + 1% присадки), который при сравнительно низкой стоимости имеет конкурентоспособные характеристики. Проведен анализ 6 различных судов по среднесуточному расходу смазочных материалов. В результате выявлено, что общий экономический эффект от применения МЖ для среднетоннажных судов может достигать 1 млн. рублей за 3 года. Для крупнотоннажного судна за тот же период - 6 млн. рублей.

Условия и результаты натурных испытаний МЖ

Таблица 6

МБС «Эпрон»

МБ-6035

Испытания проходили в дсйдвудном подшипнике валопровода судна в период с 01.04.2010 г. по 15.10.2012 г.

Присадка изготовлена и внедрена по предлагаемой технологии. Концентрация присадки в смазочной среде составляет 1% об. В состав присадки входят оксид железа (IV) и олеиновая кислота С^Ь^СЬ в следующем соотношении:

- массовая доля Ре304 - не более 10%;

- массовая доля С^НздОг - не менее 90%.

На момент окончания испытаний присадки (15.10.2012 г.) был осуществлен контроль качества центровки валопровода и состояния дейдвудных подшипников. По результатам дефектации и осмотра данных устройств сделаны следующие выводы:

1. с 01.04.2010 г. по 15.10.2012 г. дейдвудные подшипники отработали 14537 часов;

2. дейдвудные подшипники дефектов не имеют;

3. утечек смазочного масла через кормовое и носовое дейдвудные уплотнения не наблюдалось;

4. температура опорных подшипников находилась в норме и составляла 48-50°С;

5. удельный износ кормового дейдвудного подшипника за 14537 часов составил 0,017 мм/тыс.час, удельный износ носового подшипника отсутствует;

6. удельный износ на этом судне до применения в смазочной среде магнитной противоизносной присадки с 06.10.2007 г. по 12.07.2010 г. для кормовой дейдвудной втулки составил 0,037 мм/тыс.час., для носовой дейдвудной втулки 0,011 мм/тыс.час;

7. микротрещин или других существенных дефектов гребной вал не имеет;

8. при доковом ремонте судна центровка валопровода не выполнялась.

На основании изложенного сделаны следующие выводы:

1. применение противоизносной магнитной присадки уменьшает интенсивность изнашивания подшипников скольжения и повышает ресурс трибосопряжений;

2. минимизирован риск появления утечек смазочного масла через дейдвудные уплотнения;

3. появляется возможность замены дорогостоящих импортных смазочных масел отечественными маслами, улучшенными за счет внедрения противоизносных магнитных присадок;

4. экономический эффект от внедрения данной разработки составил 364000 руб.

Испытания проходили в дейдвудном подшипнике валопровода судна в период с 10.05.2009 г. по 21.06.2012 г.

Присадка изготовлена и внедрена по предлагаемой технологии. Концентрация присадки в смазочной среде составляет 0,5% об. В состав присадки входят оксид железа (IV), кобальт и олеиновая кислота С^Нз40г в следующем соотношении:

- массовая доля РсзОд - не более 9%;

- массовая доля Со (II) - не более 0,6%

- массовая доля С^НздСЬ- не менее 90%.

На момент окончания испытаний присадки (21.06.2012 г.) был осуществлен контроль качества центровки валопровода и состояния дейдвудных подшипников. По результатам дефектации и осмотра данных устройств сделаны следующие выводы:

1. с 10.05.2009 г. по 21.06.2012 г. дейдвудные подшипники отработали 16129 часов;

2. дейдвудные подшипники дефектов не имеют;

3. утечек смазочного масла через кормовое и носовое дейдвудные уплотнения не наблюдалось;

4. температура опорных подшипников находилась в норме и составляла 48-50°С;

5. удельный износ кормового дейдвудного подшипника за 16129 часов составил 0,012 мм/тыс.час, удельный износ носового подшипника отсутствует;

6. удельный износ на этом судне до применения в смазочной среде магнитной противоизносной присадки с 02.05.2006 г. по 23.03.2009 г. для кормовой дейдвудной втулки составил 0,045 мм/тыс.час., для носовой дейдвудной втулки 0,015 мм/тыс.час;

7. микротрещин или других существенных дефектов гребной вал не имеет;

8. при доковом ремонте судна центровка валопровода не выполнялась.

На основании изложенного сделаны следующие выводы:

1. применение противоизносной магнитной присадки уменьшает интенсивность изнашивания подшипников скольжения;

2. минимизирован риск появления утечек смазочного масла через дейдвудные уплотнения;

3. появляется возможность замены дорогостоящих импортных смазочных масел отечественными маслами, улучшенными за счет внедрения противоизносных магнитных присадок;

4. экономический эффект от внедрения данной разработки составляет 312000 руб._

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ статистических и экспериментальных данных отечественных и зарубежных авторов показал необходимость решения проблемы по устранению утечек смазочных материалов из дейдвудных устройств средне- и крупнотоннажных судов;

2. С помощью разработанной технологии производства магнитных присадок на основе Рез04 + С18Н34О2 получены и испытаны экспериментальные образцы присадки с

заданным диаметром частиц (с1 = 10-100 им). Результаты испытаний МЖ подтвердили ее эффективность, т.к. износостойкость трибосопряжений повышается в 2-2,5 раза, вязкость смазочной среды - в 2-2,1 раза.

3. В соответствии с разработанной технологией, применение МЖ в металлических ДП позволяет сохранять величину коэффициента трения в паре «шейка вала — вкладыш подшипника» в диапазоне 0,003-0,008 даже при граничном трении, которое характерно для некоторых режимов работы валопровода;

4. Проведенное исследование изнашивания пары трения «шейка вала - вкладыш подшипника» доказало высокую трибологическую эффективность отечественного масла М-16Г2ЦС с присадкой: износостойкость и ресурс данного узла трения повышаются в 1,5-2 раза.

5. По результатам проведенных испытаний МСМ (М-16Г2ЦС +1% магнитной присадки) на различных судах отмечено отсутствие утечек смазки из дейдвудной трубы, износостойкость и ресурс ДП увеличен в 2,2-2,7 раза. При этом экономия составляет более 300 тыс. руб. на каждое судно.

6. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе ФГБОУ ВПО «АГТУ» и переданы для использования в ФГУП «Балтийское БАСУ».

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Чанчиков В.А. Формирование антифрикционного покрытия трущихся поверхностей при использовании противоизносной присадки нового поколения / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков // Вестник АГТУ, серия «Морская техника и технология». — №1. — 2009. - С. 226230.

2. Чанчиков В.А. Способы повышения работоспособности подшипников скольжения / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков // Вестник АГТУ, серия «Морская техника и технология». — №1. -2010,-С. 147-152.

3. Чанчиков В.А. Сохранение параметров центровки гребного вала судов в процессе эксплуатации / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков // Тяжелое машиностроение. - №10. - 2010. - С. 24-25.

4. Чанчиков В.А. Об увеличении ресурса работы гребного вала судна / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков // Вестник АГТУ, серия «Морская техника и технология». - №2. — 2010. - С. 19-23.

5. Чанчиков В.А. Прогнозирование изнашивания подшипников скольжения судового валопровода / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков // Вестник АГТУ, серия «Морская техника и технология».-№1.-2011. - С. 137-141.

6. Чанчиков В.А. Внедрение инновационных технологий как фактор снижения затрат на эксплуатацию водного транспорта / В.А. Чанчиков, Д.Р. Васильева // Вестник АГТУ, серия «Экономика». - №2. - 2011. - С. 137-140.

7. Чанчиков В.А. Определение оптимальной концентрации магнитной противоизносной присадки в смазочных маслах / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков, В.Г. Боловин // Вестник машиностроения. - №9. - 2012. - С 46-49.

8. Чанчиков В.А. Экспериментальные исследования и оптимизация физико-механических свойств магнитных смазочных материалов / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков, В.Г. Боловин // Вестник машиностроения. - №6. - 2013. - С 43-45.

в свидетельствах Роспатента на изобретения и полезные модели:

9. Пат. 70579 Российская Федерация, МПК вОШ 3/56 (2006.01) Трибометр / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «АГТУ» - № 2007130186; заявл. 06.08.2007; опубл. 27.01.2008, Бюл. №3.- 3 с.

10. Пат. 2348025 Российская Федерация, МПК вОШ 3/56 (2006/01) Устройство для определения эффективности противоизносных магнитных присадок / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «АГТУ» - №2007130137/28; заявл. 06.08.2007; опубл. 27.02.2009, Бюл. №6,- 4 с.

И. Пат. 115917 Российская Федерация, МПК G01N 3/56 (2006/01) Машина трения / А.П. Перекрестов, Ю.Н. Дроздов, В.А. Чанчиков, В.Н. Миронов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «АГТУ» - №2011149211/28; заявл. 02.12.2011; опубл. 10.05.2012, Бюл. №13,- 3 с. в зарубежных изданиях:

12. Чанчиков В.А. Способ увеличения ресурса работы судового валопровода / А.П. Перекрестов,

B.А. Чанчиков, A.A. Клыканова // Труды VI Международного симпозиума по трибофатике МСТФ 2010 (Минск, 25 окт. -1 нояб. 2010 г.) В 2 ч. Ч. 1. - Минск: БГУ, 2010. - С. 729-732.

в материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов:

13. Чанчиков В.А. Магнитные присадки в углеводородные жидкости и развитие оборудования по их совершенствованию /А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков, A.A. Клыканова, В.М. Роткин, В.А. Непомнящий // Сборник докладов совещания-семинара заведующих кафедрами «Теоретической механики» Южного Федерального округа (22-25 апреля 2009 г.) - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009.-С. 66-68.

14. Чанчиков В.А. Новый перспективный метод повышения износостойкости подшипников скольжения судового валопровода / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков // Материалы Международной научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2010» (11-14 мая 2010 г.) - Астрахань: АТУ, Изд. Дом «Астраханский университет», 2010. - Т. 3. - С. 126-127.

15. Чанчиков В.А. Виды смазки, применяемые в судовых подшипниках скольжения и перспективы их использования / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков, A.A. Клыканова // Сборник докладов IV Всероссийского совещания-семинара заведующих кафедрами и ведущих преподавателей теоретической механики вузов РФ (21-24 сентября 2010 г.) — Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010.-С. 185-189.

16. Чанчиков В.А. Инновационный способ увеличения надежности и долговечности судового валопровода / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков // Материалы Международной НПК «Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс» (13-15 октября, 2010 г.). - Астрахань: Издатель Сорокин Р.В., 2010. -

C. 17-23.

17. Чанчиков В.А. Снижение интенсивности изнашивания пары трения «цапфа — вкладыш» как направление увеличения ресурса системы судового валопровода / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков, A.A. Клыканова // V сессия Научного совета РАН по механике деформируемого твердого тела: тез. докл. Всеросс. конф. (г. Астрахань, 31 мая — 5 июня 2011 г.) / под науч. ред. Н.Ф. Морозова, М.Н. Покусаева; Астрахан. гос. техн. ун-т. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2011. - С. 75-76.

18. Чанчиков В.А. Сравнительные испытания смазочных масел при введении магнитной наноприсадки на мицеллярной основе / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков, A.A. Клыканова // Трибология и надежность: сборник научных трудов XI Международной конференции (г. Санкт-Петербург, 27-29 октября 2011 г.) / ред. проф. К.Н. Воинов. - СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2011. — С. 87-94.

19. Чанчиков В.А. Способ повышения ресурса дейдвудных подшипников скольжения судового валопровода / А.П. Перекрестов, В.А. Чанчиков // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета [Электронный ресурс] / под общей редакцией проф. Н.Т. Берберовой, проф. A.B. Котельникова; Астрахан. гос. техн. ун-т. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. Режим доступа: 1 CD-диск. — № гос. регистрации 0321202044.

20. Чанчиков В.А. Инновации как фактор снижения затрат на эксплуатацию водного транспорта / В.А. Чанчиков, Д.Р. Васильева // Сборник научных трудов 1-ой Международной НПК «Теория и практика промышленного развития экономических систем» (г. Астрахань, ноябрь, 2011 г.) / под ред. Е.П. Карлиной, A.A. Кушнер; АГТУ. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. - С. 225-229.

Заказ № 0159/13 Отпечатано 11.10.2013 г. Тир. 100 экз. Гарнитура Times New Roman. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,2 Типография ООО « Альфа Принт » Ю.а.: 414004, г. Астрахань, ул. Б. Алексеева 30/14 e-mail: Alfaper@rambler.m

тел: 89033485666

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет»

На правах рукописи

04201365847 ЧАНЧИКОВ ВАСИЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕЙДВУДНЫХ ПОДШИПНИКОВ СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА

Специальность 05.08.04 - Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Перекрестов А.П.

Астрахань - 2013

Оглавление

Л.

Введение.............................................................................. 4

Глава 1. Проблема повышения ресурса дейдвудных подшипников судового валопровода.............................................................. 7

1.1. Анализ конструктивных особенностей и эксплуатационных условий судовых валопроводов.................................................. 7

1.2. Ресурс металлических дейдвудных подшипников судового валопровода и его определяющие факторы................................... 20

1.3. Особенности изнашивания пары трения «гребной вал -вкладыш дейдвудного подшипника»........................................... 30

1.4. Современные методы и способы увеличения ресурса дейдвудных подшипников скольжения........................................ 39

Выводы к главе 1................................................................. 44

Глава 2. Разработка магнитных смазочных материалов для дейдвудных подшипников судовых валопроводов.......................... 45

2.1. Общая характеристика смазочных материалов, применяемых в дейдвудных устройствах.......................................................... 45

2.2. Магнитные смазочные жидкости, способы получения и целесообразность применения в узлах трения скольжения................ 51

2.2.1. Физические свойства магнитных жидкостей..................... 53

2.2.2. Трибологические свойства магнитных жидкостей.............. 58

2.2.3. Способы получения магнитных коллоидных растворов....... 63

2.3. Разработка и получение магнитных смазочных материалов на основе магнитных противоизносных присадок.............................. 67

2.3.1. Магнитная противоизносная мицеллярная наноприсадка на основе оксида железа (IV)......................................................... 67

2.3.2. Магнитная противоизносная мицеллярная наноприсадка на основе кобальтированного оксида железа (IV).............................. 77

Выводы к главе 2............................................................... 80

Глава 3. Технология повышения ресурса дейдвудных подшипников скольжения........................................................................... 82

3.1. Разработка технологии повышения ресурса металлических дейдвудных подшипников........................................................ 82

3.2. Моделирование износа манжетных уплотнений для вращающихся валов..............................................................*.. 92

3.3. Расчетно-теоретическое исследование изнашивания трибосопряжения «шейка вала - вкладыш подшипника» в среде магнитных углеводородных жидкостей....................................... 97

Выводы к главе 3................................................................. 103

Глава 4. Экспериментальное исследование процесса изнашивания пары трения скольжения.......................................................... 105

4.1. Оборудование и приборы................................................ 105

4.1.1. Твердомер ТК-2М..................................................... 105

4.1.2. Микроскоп измерительный МПБ-2................................ 106

4.1.3. Испытательная машина 2070 СМТ-1.............................. 107

4.1.4. Микроскоп металлографический ЛАБОМЕТ-И2............... 111

4.2. Материалы и методика исследования изнашивания пары трения «вал - вкладыш»............................................................ 112

4.2.1. Технология изготовления экспериментальных образцов..... 112

4.2.2. Общая характеристика материалов пары трения «вал-вкладыш».............................................................................. 114

4.2.3. Разработка методики экспериментальных исследований изнашивания пары трения «вал-втулка».......................................... 117

4.3. Экспериментальное исследование триботехнических свойств магнитных углеводородных жидкостей........................................ 125

4.3.1. Определение и оценка эффективности магнитной противоизносной присадки в составе отечественных смазочных масел................................................................................... 125

4.3.2. Определение оптимальной концентрации магнитной противоизносной присадки в смазочных маслах............................. 127

4.4. Определение экономической эффективности внедрения технологии по повышению ресурса дейдвудных подшипников судовых валопроводов............................................................. 130

Выводы к главе 4................................................................. 149

Заключение..................................................................... 140

Список использованной литературы...................................... 141

Приложения.................................................................... 155

Приложение 1. Статистическая обработка экспериментальных данных................................................................................. 155

Приложение 2. Полученные акты о внедрении......................... 161

Приложение 3. Полученные дипломы и патенты...................... 166

Введение

Известно, что преодоление трения в процессе работы оборудования, машин и механизмов поглощает до 30-40% всей вырабатываемой энергии, а потери в промышленности развитых стран вследствие трения и износа достигают 4-5% национального дохода. В этой связи, не являются исключением и подвижные сопряжения в судовой технике.

Эффективность работы судов зависит от надежности функционирования устройств, систем, энергетических установок. Наиболее важной и ответственной составляющей двигательно-движительного комплекса судна является валопровод. Проблема повышения эксплуатационной долговечности судовых валопроводов во многом определяется безотказной работой дейдвудных подшипников, которые находятся особенно в тяжелых условиях эксплуатации, что вызывает повышенное изнашивание и снижение ресурса подшипников.

Основными причинами, ограничивающими применение металлических дейдвудных подшипников, являются: износ кормового подшипника, утечка нефтепродуктов в окружающую водную среду вследствие износа манжетных дейдвудных уплотнений, что влечет за собой финансовые потери судоходных компаний из-за уплаты штрафов, значительного перерасхода смазочных материалов, а также ремонта уплотнений каждые 3-4 года. Тем не менее, количество судов, снабженных металлическими дейдвудными подшипниками, составляет 35% (45 тысяч судов) мирового гражданского флота.

В настоящее время норма утечки масла из дейдвудной трубы установлена Регистром Ллойда и составляет 6 л/сут. Для мирового флота это дает объем загрязнения водной среды около 80 млн. литров в год при средней годовой наработке судна 6000-7000 ходовых часов. Причем загрязнение морской сферы водным транспортом будет расти соответственно возрастанию значения этого

вида транспорта в мировой экономике. Согласно данным Национальной администрации по океанографии и атмосфере США, ожидается, что объем международной торговли возрастет к 2020 г. в 3 раза по сравнению с 1995 г. и 90% перевозок будет осуществляться водным транспортом. Тем временем, в морской политике европейских и других стран указывается полное исключение утечек нефтепродуктов с судов в водную среду к 2020 г.

В связи с этим, в работе рассматриваются актуальные вопросы разработки технологии повышения ресурса, надежности и безопасности металлических дейдвудных подшипников и уплотнений судовых валопроводов на основе применения магнитных смазочных материалов. Научная новизна:

1. Разработана технология получения магнитных противоизносных присадок и смазочных композиций на их основе;

2. Рассчитаны основные физико-химические характеристики магнитных противоизносных присадок;

3. Предложена инновационная технология повышения надежности и безопасности эксплуатации металлических дейдвудных подшипников с применением магнитных смазочных материалов;

4. Разработана и запатентована конструкция экспериментальной установки для испытаний магнитных смазочных материалов на трение и износ. Практическая значимость работы:

1. Разработана и предложена к использованию технология применения магнитных смазочных материалов в металлических дейдвудных подшипниках;

2. Проведены экспериментальные исследования изнашивания пары трения «вал - втулка» в среде различных смазочных материалов и композиций на запатентованной машине трения, которые подтвердили высокие триботехнические характеристики магнитных смазочных композиций;

3. Выявлен смазочный состав, рекомендуемый к применению в целях наиболее безопасной и долговечной работы дейдвудных устройств;

4. Выполнены экономические расчеты ожидаемого экономического эффекта от внедрения магнитных смазочных материалов на различных судах, результаты которых являются положительными.

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе ФГБОУ ВПО «АГТУ» и переданы для использования в ФГУП «Балтийское БАСУ».

В первой главе проведен анализ конструктивных и эксплуатационных особенностей металлических дейдвудных подшипников, а также факторов, оказывающих влияние на ресурс и безопасность их функционирования, рассмотрены особенности изнашивания дейдвудных подшипников и уплотнений, проанализированы современные способы увеличения ресурса металлических дейдвудных подшипников и уплотнений.

Во второй главе приведена общая характеристика смазочных материалов (масел и присадок), применяемых в дейдвудных устройствах, а также рассмотрены свойства магнитных смазочных материалов, способы их получения и целесообразность применения в узлах трения скольжения.

Третья глава посвящена разработке и оценке трибологической эффективности технологии применения магнитных смазочных материалов в металлических дейдвудных подшипниках.

В четвертой главе приводятся описание методики и характеристика материалов для проведения экспериментов, результаты лабораторных испытаний пары трения «шейка вала - вкладыш подшипника» на изнашивание, а также выявлен смазочный состав, рекомендуемый к применению в дейдвудных устройствах с металлическими дейдвудными подшипниками.

Глава 1. Проблема повышения ресурса дейдвудных подшипников судового валопровода

1.1. Анализ конструктивных особенностей и эксплуатационных

условий судовых валопроводов

Валопровод судна (по ГОСТ 24154-80), представляет собой часть главной судовой установки, предназначенную для передачи крутящего момента от главного двигателя к движителю и восприятия упора от гребного винта [46].

Таким образом, валопровод состоит из отдельных валов, соединенных между собой фланцами. По назначению и месту расположения валы бывают: гребные, дейдвудные, промежуточные, упорные и проставочные. Дополнительно в систему валопровода входят дейдвудное устройство со своими подшипниками и уплотнениями, упорный и опорный подшипники, муфты, механизм изменения шага, тормоз, токосъемное устройство, валоповоротный механизм и ряд других деталей [73].

Конструктивная простота валопровода - кажущаяся. Длительный опыт эксплуатации судов свидетельствует о том, что до сих пор наблюдаются поломки гребных валов и часты случаи аварийного износа дейдвудных подшипников. При этом количество повреждений и аварий гребных валов возрастает с увеличением их диаметров. Нарушение работоспособности валопровода приводит к снижению скорости судна или полной потере хода и может создать условия, приводящие к гибели людей. Ремонты валопровода связаны с большими экономическими потерями, которые определяются необходимостью вывода судна из эксплуатации и постановки его в док [74]. На данном основании судовой валопровод следует отнести к числу наиболее ответственных и напряженных деталей энергетической установки. Поэтому проблема долговечности валопровода - это задача конструирования, расчета прочности и долговечности, технологии изготовления и монтажа.

По количеству валопроводов судовые энергетические установки бывают одновальные, двухвальные и трехвальные (рисунки 1.1, 1.2) [52].

Морские транспортные суда чаще всего имеют одновальные энергетические установки. В этом случае линия валопровода располагается в диаметральной плоскости судна. Преимуществами таких установок являются простота конструкции, большая надежность и высокие значения КПД гребного винта, достигающего для транспортных судов значений г\в = 0,55-0,65. Угол наклона линии валопровода к основной плоскости судна составляет а = 0-5°. С увеличением этого угла упор гребного винта заметно уменьшается и снижается КПД винта.

Комплекс из гребного винта с поворотными лопастями, гребного вала и механизма изменения шага по ОСТ 5.4043-71 представляет собой «винт регулируемого шага». По другому конструктивному варианту в составе валопровода предусматривается винт фиксированного шага и промежуточный вал соответствующей длины.

Кормовое дейдвудное уплотнение предназначено для предотвращения масла из дейдвудного устройства за борт (ОСТ 5.4471.0-91). При использовании неметаллических дейдвудных подшипников, смазываемых водой, указанное уплотнение исключается.

Дейдвудное устройство обеспечивает необходимые условия для прохода гребного вала через корпус судна (ОСТ 5.4429-86). В нем размещаются кормовой и носовой дейдвудные подшипники.

Конструктивные особенности комплексов из валопроводов и главных двигателей изложены в [10, 26, 34, 38, 40, 41, 43, 80, 84, 91] и др.

Материалы валов (гребных, дейдвудных, промежуточных, упорных), входящих в состав судовых валопроводов, выбирают по ГОСТ 8536-79 (таблицы 1.1, 1.2). Этот стандарт распространяется также на заготовки баллеров и штырей рулей, успокоителей качки, поворотных насадок.

10 11 12 13

Рисунок 1.1 - Валопровод одновальной судовой энергетической установки: 1 - гребной винт; 2 - гребной вал; 4 - дейдвудное устройство; 5 - дейдвудный сальник; 6 - фланцевая муфта; 7 - промежуточный вал; 8 - подшипник; 9 - переборочный сальник; 10 - упорный подшипник; 11 - упорный вал; 12 - фланец; 13 - вал двигателя; 14 - ахтерпиковая переборка; 15 - носовая дейдвудная втулка; 16 - дейдвудная труба; 17 - кормовая дейдвудная втулка; 18 - яблоко ахтерштевня; 19 - манжетное уплотнение.

Рисунок 1.2 - Валопровод двухвальной судовой энергетической установки.

1 - гребной винт; 2 - гребной вал; 3 - дейдвудный вал; 4 - дейдвудное устройство;

5 - дейдвудный сальник; 6 - фланцевая муфта; 7 - промежуточный вал; 8 - подшипник;

9 - переборочный сальник; 10 - упорный подшипник; 11 - упорный вал; 12 - фланец;

13 - вал двигателя; 20 - мортира; 21 - соединение; 22 - кронштейн; 23 - фланцевое

соединение.

Для изготовления валов используют заготовки следующих видов:

- кованые сплошные черновые заготовки из углеродистой стали (кроме гребных валов):

- кованые сплошные заготовки с предварительно обработанной наружной поверхностью из углеродистой, легированной и коррозионно-стойкой стали:

- кованые полые заготовки с предварительно обработанной наружной и окончательно обработанной внутренней поверхностью из углеродистой и легированной стали;

- заготовки сплошные из горячекатаной коррозионно-стойкой стали диаметром до 200 мм, заготовки сплошные из горячекатаной и калиброванной углеродистой, легированной и коррозионностойкой стали.

При диаметре внутреннего отверстия менее 80 мм заготовки оценивают как сплошные. Заготовки валов диаметром до 120 мм могут быть выполнены из проката. Заготовки из углеродистой стали с повышенными показателями механических свойств соответствуют следующим категориям прочности: КМ20, КМ22, КМ25, КМ28, КМ32, КМ22А, КМ25А, КМ28А; заготовки из легированной стали — категориям прочности КТ36, КТ40, КТ50, КТ60, КТ70, КТ80, КТ90 и КТ100.

Для изготовления валов, которые эксплуатируются в забортной воде и не имеют гидроизоляции, применяют коррозионно-стойкие стали. Валы, работающие в пресной воде, изготовляют из стали марки 2X13, работающие в морской воде — из сталей марок 14X17Н2 и 09X17Н7Ю.

Таблица 1.1

Рекомендуемые марки стали для заготовок

Димиггр шага яоь «№№■*»» ««ЧЧ*Я1». им Талаиш« сим« . сгмм!, «м Ктпфя* нречянМй*

КМ1» | КМ11 км» ИМИ К11121 КТ1# КТ40 ктя

м ар »а стм»

До 100 До в! ж» 25 20 25 20 25 30 30 40 35 40 45 45 40Х 45 40Х 40X1! ИХМ 40ХН

С», 100 а» ДО Ся.&0;х> 1(0 10 25 20 25 30 м 35 40 40 40Х 40X11 з&хм 40X11 шм 40X11

СЬЮ я» ДО Се, № до 210 20 И 20 25 » 35 40 45 40X11 звхм 40X11 36X2112 МФА МХ2Н2МА 40ХН2МЛ

С», 500 до 500 Се, 2 И» 2® 30 25 М З^ 25 Ш п 40 45 4$ з*хм 40ХН з$хм «X» 36Х2Н2МФА 3&Х2Н2МА 40Х112МА

СкМОявЖЮ Са. 280 ж» 350 25 » 25 10 15 2$ 30 »хм 40X11 36X2112МФЛ ЗШН2МЛ 40ХН2МА. 36Х2М2МФЛ МХЗНЗМЛ 40ХН2МЛ

С* 700 900 25 30 1| 25 30 шя _ —- — —

Продолжение таблицы 1.1

штт*

»а*»» (ишм. ктш — КТИ 1 кт*» ктш

Марж* ашы

Д® « До 80 МХМ 40X11 36Х2Н2МФЛ 58Х2Н2МА 40X1 (2X1А ЗДХ2Н2МФЛ ЭДОН2МЛ 40ХН2МА ЯХШМФЛ ЖШМФА

С*. №0 до 200 С». 80 до 160 ЗШШМФА ЛХ11ЦЩ 40ХН2МА Ш2ШМФА Ш2ШШ 40Х112МЛ 36Х2Н2МФЛ 1Ш11МФА ЯХШМФА

СиЛОИшЗ» Са 160 ло 210 36Х2И2МФЛ Ж2Н2МЛ 40ХН2МА 36Х2Н2МФЛ 18Х2Н2МА 40ХИ2МЛ ШШМФА — •

Ся. 300 до 500 Са 210 ж» 210 36Х3112МФЛ ЗШ112МА «0ХИ2МА ШЗШМФА ШНЭМФА ЙХШМФЛ — —

Св. 500 ж» ЯЮ 36Х2И2МФА 31Х2Н2МЛ ЙХЮМФА 36X2112МФА 1*Х1Ш1ФЛ ЗШОМФА —• —

С«.?«*» — — — — — _

Таблица 1.2

Нормы механических свойств заготовок из углеродистой стали для гребных валов

1 * 11 || 1 I П ; л

1 * 1 1 1 « "1 } 1 I 1 § "1 I 1 1 • 1

Зи««» т*,»*,« —

I I } I 11 II ¿1 5? 1? И 3« I 4 II в! 1| II 31 §1 2» Ц