автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Разработка и обоснование методики прогнозирования долговечности судовых валов с трещинами при ремонте

ии3481738

На правах рукописи

Доан Ван Тинь

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СУДОВЫХ ВАЛОВ С ТРЕЩИНАМИ ПРИ РЕМОНТЕ

Специальность: 05.08.04 - Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань - 2009

003481738

Работа выполнена во ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» (АГТУ) на кафедре «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Мамонтов Виктор Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Черненко Виктор Игоревич

кандидат технических наук, профессор

Хаппалаев Аслан Юсупович

Ведущая организация: Волжская государственная академия

водного транспорта г. Нижний Новгород

Защита диссертации состоится «27» ноября 2009 г. в 10.00 час. на заседании диссертационного совета Д 307.001.07 при АГТУ по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева 16, 2 учебный корпус, читальный зал.

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим отправлять по адресу: 414025 г. Астрахань, ул. Татищева 16, АГТУ, диссертационный совет Д 307.001.07

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ.

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

Автореферат разослан «22» октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент A.B. Кораблин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В процессе освидетельствования Российским морским регистром судоходства или при ремонте в случае обнаружения трещин любых размеров гребные валы бракуются. Судно выводится из эксплуатации и длительное время находится в вынужденном простое из-за изготовления нового гребного вала. Продолжительность такого простоя по опытным данным составляет 6-8 недель и более.

В литературе имеются сведения о длительной эксплуатации деталей ответственного назначения, имеющих трещины, в зависимости от параметров трещин, материала и условий нагружения, а также условий возникновения трещин. Эти сведения для судовых валов и практика их эксплуатации с трещинами отсутствуют.

Прогнозирование долговечности судовых валов с трещинами позволило бы определить остаточный ресурс, тем самым продлить их эксплуатационный период, выполнить подготовку к ремонту, сократить вынужденные простои судна, уменьшить затраты на ремонт и сроки его выполнения.

Поэтому изучение проблемы прогнозирования долговечности судовых валов с трещинами является актуальной.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является продление долговечности судовых валов с трещинами в эксплуатации. Для достижения поставленной цели необходимо обнаружить трещины, возникающие в судовых валах; определить их расположение и начальные размеры; рассмотреть и оценить факторы, влияющие на процесс развития трещин и на основе теории механики разрушения разработать методику прогнозирования долговечности судовых валов с трещинами.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

1) изучить природу, механизм возникновения и развития трещин в деталях с позиций механики разрушения;

2) выполнить анализ повреждения гребных валов; определить виды усталостных трещин, их расположение и начальные размеры в гребных валах;

3) исследовать влияние различных факторов на процесс развития трещин в гребных валах;

4) разработать методику определения коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещин;

5) разработать методику прогнозирования долговечности гребных валов с трещинами;

6) выполнить расчеты показателей долговечности гребных валов с трещинами для разных судов в зависимости от вида, места расположения, начальных размеров трещин, диаметра вала, а также при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на долевых режимах;

7) выполнить экспериментальную проверку методики прогнозирования долговечности на образцах-моделях судового вала;

8) разработать рекомендации по полученным результатам к практическому использованию.

Методы решения задач исследования

Использованные в работе методы базируются на законах механики разрушения, изучающих причины возникновения трещин, закономерности их роста, разрушения деталей и прогнозирования долговечности.

При прогнозировании долговечности гребных валов с трещинами используется компьютерная программа для выполнения расчета.

Научная новизна

- впервые разработана методика прогнозирования долговечности гребных валов с трещинами;

- определены основные константы материала судовых валов, изготовленных из стали 35, используемые для расчета показателей долговечности;

- установлены количественные зависимости остаточного ресурса гребных валов с трещинами от их размеров, месторасположения, вида, направления развития и от диаметра вала.

Практическая ценность

- продление долговечности гребных валов с трещинами в эксплуатации;

- сокращение вынужденных простоев судна на подготовку к ремонту;

- снижение затрат на ремонт судна и сроков его выполнения;

- увеличение срока эксплуатации судна.

Реализация результатов работы

- разработаны и предложены судоходным компаниям рекомендации по эксплуатации судов при наличии трещин на судовых валах;

- результаты работы приняты к сведению Астраханским филиалом Российского морского Регистра судоходства;

- данные исследований используются в учебном процессе АГТУ при подготовке морских инженеров по специальности «Судовые энергетические установки», инженеров по специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок», бакалавров и магистров по специальности «Кораблестроение и океанотехника».

Апробация работы

Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: заседаниях кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» АГТУ; заседаниях Ученого Совета института морских технологий, энергетики и транспорта АГТУ; научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (2007 г.); XIX Международной Интернет-конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС пробмаш 2007) 5-7 декабря 2007 г. на сайте www.imash.ru; ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (2007 - 2009 гг.); международном научном семинаре «Перспективы использования результатов фундаментальных научных исследований в судостроении и эксплуатации флота Юга России» в АГТУ, 3-5 октября 2008 г; международной научно-практической Интернет-конференции «Актуальные проблемы развития транспорта и энергетики 2008», 6-12 октября 2008г., на сайте www.caspynews.ru.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 по списку ВАК.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 76 наименований и четырех приложений. Работа изложена на 141 страницах основного текста, содержит 33 таблицы и 26 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и намечены задачи исследования.

В первой главе приведен анализ конструкции, технических требований и технологии ремонта судовых валов; рассмотрены вопросы усталостной прочности валов; представлены сведения о природе и механизме возникновения трещин при циклическом нагружении; рассмотрены повреждения судовых валов при эксплуатации и их ремонт; сформулированы цель и задачи исследования.

Судовой валопровод подвергается при эксплуатации действию разнообразных нагрузок, в число которых входят крутящий и изгибающий моменты. В наиболее тяжелых условиях работает гребной вал. На гребной вал действуют значительные изгибающие нагрузки со стороны гребного винта. Упор, развиваемый гребным винтом, вследствие неравномерности поля скоростей набегающей воды приложен внецентренно и потому создает на гребном валу изгибающий момент, вызывающий в нем переменные напряжения изгиба. Изгибающий момент значительно возрастает при плавании во льду из-за ударов гребного винта о лед. Нагрузки изгиба увеличиваются также при плавании порожнем и при большом волнении моря, так как происходит частичное оголение гребного винта и упор оказывается значительно смещенным по отношению к оси винта.

На гребной вал воздействует крутящий момент, возникающий при передаче мощности от главного двигателя к гребному винту. Однако напряжения кручения, как правило, не представляют опасности. Усталостная долговечность гребного вала определяется его прочностью при действии циклического изгибающего момента.

В мировой практике эксплуатации крупнотоннажных судов систематически наблюдаются повреждения и поломки гребных валов. Причины повреждений весьма разнообразны. Наиболее опасными повреждениями в валах являются усталостные трещины. Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях и затем развивается в глубь вала, образуя острый надрез. Такие трещины являются сильными концентраторами напряжений, которые под действием циклических нагрузок приводят к разрушению валов.

Большой вклад в изучении повреждаемости гребных валов и анализа причин их поломок внесли JI.T. Балацкий, Н.М. Кохан, B.C. Я цепко, T.W. Bunyan, Pham Quoc Thiromg и др.

Изучение повреждений гребных валов и анализ приведенных данных показали, что наиболее повреждаемые участки вала следующие: участок шпоночного паза; подступичная часть в районе большого основания конуса и промежуток между торцами ступицы и облицовки; участки вала под торцами облицовок; межоблицовочное пространство (при раздельных облицовках).

При обнаружении трещин на гребных валах во время освидетельствования или осмотров при техническом обслуживании возникает проблема оценки работоспособности вала с трещиной и его долговечности до поломки для осуществления перехода судна от места, где обнаружили трещину до порта приписки или судоремонтного предприятия для выполнения ремонта.

При ремонте судно выводится из эксплуатации и находится в вынужденном простое продолжительное время. Это время необходимо для подготовки судна, технической документации и судоремонтного предприятия к ремонту, приобретения заготовки вала, изготовления и монтажа нового гребного вала.

Если бы была известна долговечность гребного вала с трещиной до поломки при эксплуатации валопровода на номинальной мощности ДВС или на долевых режимах, можно было бы продлить его эксплуатацию на время подготовки к ремонту и по завершению ее произвести только монтаж нового гребного вала. При этом вынужденные простои судна сокращаются до 1 недели.

В литературе приводятся методики прогнозирования долговечности для разных изделий, материалов и условий нагружения, а также видов и условий возникновения трещин. Имеются такие методики и для изделий судового машиностроения, в том числе для шатунов ДВС с трещинами. Однако для судовых валов эти сведения отсутствуют. Поэтому изучение задачи прогнозирования долговечности судовых валов с трещинами является актуальной.

На основе анализа обзора литературы сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведены основные виды трещин и места их возникновения в гребных валах; рассмотрены эксплуатационные факторы, влияющие на процесс развития трещин в валах; разработаны теоретические основы исследования развития трещин в судовых ва-

лах; методика определения коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещин на образцах — моделях гребного вала; построена диаграмма усталостного разрушения экспериментальных образцов и определены постоянные величины Пи С в уравнении Пэриса для стали 35; разработана методика прогнозирования долговечности судовых валов с трещинами.

Своевременное и тщательное освидетельствование отдельных, наиболее опасных, с точки зрения повреждаемости участков гребных валов, позволяет своевременно предотвратить опасность разрушения во время эксплуатации.

Если внешний осмотр не выявил наличия повреждений, указанные участки вала подвергают проверке с помощью магнитной или цветной дефектоскопии. Цветной и магнитный методы позволяют выявлять на поверхности гребных валов трещины глубиной более 0,05 мм при ширине раскрытия более 0,02 мм.

Изучение повреждений валов, вышедших из строя из-за трещин в шпоночном пазу, показало, что все они носили усталостный или усталостно-коррозионный характер. Как правило, трещины возникали чаще всего у выхода паза со стороны подвода нагрузки, т. е. у большого основания конуса, что вполне объяснимо. При передаче крутящего момента прессовым шпоночным соединением гребного винта с валом максимум нагрузки приходится на начало шпоночного паза. С продвижением по длине, нагрузка на шпонку от передачи крутящего момента уменьшается, так как ее разгружают силы трения, возникающие между коническими поверхностями винта и вала.

В процессе освидетельствования Российским морским регистром судоходства или дефектации гребных валов при обнаружении трещин, в основном встречаются следующие виды трещин: трещины, которые располагаются по окружности, то есть перпендикулярно оси вала, наклонно к оси вала, а также встречаются х-образные трещины. При наличии трещин любого вида и размера правилами этого классификационного общества и других эксплуатация гребных валов запрещена.

Существенное влияние на закономерности сопротивления стабильному развитию усталостных трещин, в конечном счете, определяющих длительность периода их роста до критического размера, оказывают конструктивные (размеры, концентраторы напряжений) и эксплуатационные (температура, частота нагружения, среда, режимы циклического нагружения) факторы.

Причиной столь строгих требований к судовым валам является мнение, согласно которому трещина, являясь концентратором напряжений, при циклических нагрузках приводит к мгновенному усталостному разрушению. Однако, исследователями установлено, что процесс развития усталостной трещины может быть весьма длительным и зависит от ее скорости роста. Согласно литературным данным существует несколько причин, влияющих на скорость роста усталостных трещин. Среди них можно отметить изменение уровня действующих напряжений, изменение асимметрии цикла нагружения в вершине трещины с ее ростом, увеличение жесткости напряженного состояния у вершины усталостной трещины при ее развитии, притупление вершины трещины и др. Уменьшение уровня действующих напряжений в гребном валу, то есть эксплуатация судовых энергетических установок на долевых нагрузках может обеспечить, по видимому, достаточно высокую долговечность валов с трещинами.

Современный анализ развития трещин базируется на концепциях механики разрушения, в которой макроскопическое разрушение тела является результатом развития трещин, возникающих либо в процессе его изготовления, либо как результат деформации его во время испытания образца или эксплуатации детали. Учитывая наличие трещин, механика разрушения устанавливает количественную связь между действующим на тело напряжением, формой и размерами трещин и сопротивления материала стабильному и нестабильному развитию этих трещин.

Основополагающими работами в этой области являются исследования П. Пэриса, Ф. Эрдогана, Л.М. Школьника, И.В. Кудрявцева, В.Т. Трощенко, В.В. Панасюка, В.К. Румба, С.Я. Яремы и др.

Установлено, что стадию распространения трещины от зарождения до полного разрушения образца или детали можно разделить на три характерных этапа, различающихся механизмом ее роста. Первый этап характеризуется небольшой скоростью, так как трещина еще мала, а ее продвижение происходит преимущественно вдоль полос скольжения. Основную часть составляет второй этап, когда трещина растет с примерно постоянной скоростью в направлении, перпендикулярном наибольшим нормальным напряжениям. На третьем этапе, когда трещина имеет уже достаточно большие размеры, скорость ее роста быстро увеличивается, и происходит практически мгновенное хрупкое разрушение. Такое поэтапное разделение развития трещины получило название стадийности усталостного разрушения.

В механике разрушения согласно теории Д. Ирвина трещина представляется в виде эллипса с острыми краями (рис.1). Край трещины является очень сильным концентратором напряжения, от которого зависит развитие трещины, а скорость развития трещины зависит от коэффициента интенсивности напряжений (КИН).

а

сг

Рис.1 Напряженно-деформированное состояние в вершине трещины

Механика разрушения является развитием теории хрупкого разрушения Гриффитса, на основании которой Д. Ирвин установил зависимость между длиной трещины в бесконечной пластине и напряжением в вершине трещины. Эти параметры были связаны коэффициентом интенсивности напряжений:

(1)

где: к1 - коэффициент интенсивности напряжений;

а - номинальное напряжение в сечении брутто, МПа; а - полудлина трещины, мм.

П. Пэрис и Ф. Эрдоган, обобщив большое количество экспериментальных результатов, прирост длины трещины за цикл выразили зависимостью:

— = с(ак,)\ (2)

где / - длина трещины, мм;

Ы- число циклов;

Сап- константы, определяемые экспериментально. Значения П обычно находятся в пределах 2< П <6, хотя известны и значительные

отклонения.

Графической интерпретацией уравнения (2) является кривая разрушения (рис.2). Кривую принято делить на три характерных участка: А, В и С. Нижняя часть кривой на участке А асимптотически приближается к пороговому значению коэффициента интенсивности напряжений АК,т ниже которого трещины не развиваются или растут с такой малой скоростью, что ее обнаружить экспериментально не удается. Режимы нагружения на участке А принято называть припорого-выми. К участку В относится прямолинейная часть кривой, описываемая уравнением Пэриса (2). Для этого участка характерны средние скорости роста трещин 10"6... 10"3 мм/цикл. Участок С характеризуется повышенной скоростью роста трещин; это участок нестабильного роста трещин, или катастрофического разрушения. На этом участке Кi близок к вязкости разрушения при статической нагрузке К1с.

dl М1лу

dN'

104 1Ö5 106 107 ю-'

AR& AK, МПах-м"2

Рис. 2 Кривая усталостного разрушения

Диаграмма усталостного разрушения является основной характеристикой развития трещины на всем периоде ее существования. Наибольший интерес с точки зрения прогнозирования, а так же влияния на развитие трещины, является средний участок диаграммы - период стабильного роста, когда наблюдается линейная зависимость в логарифмических координатах между скоростью развития трещин и размахом КИН. Этот участок кривой наиболее точно описывается уравнением Пэриса.

В исследовании, поставлена задача построить кривую усталостного разрушения круглых образцов (рис.3) из стали 35 по ГОСТ 105088. Форма и материал образцов выбраны в результате физического

моделирования условий нагружения и материала натурных судовых валов.

Рис. 3 Образец для испытаний Скорость роста трещин определялась при усталостных испытаниях образцов круговым консольным изгибом (рис. 4) на экспериментальной установке. В процессе испытаний фиксировалась длина трещин по окружности сечения / и соответствующее ей количество циклов нагружения N. Производилось двухступенчатое нагружение: при высоком уровне напряжений 01 = 295 МПа происходило зарождение трещины, при низком - ст2 = 265 МПа - непосредственное развитие, при котором определялись параметры скорости роста трещины / и N.

Р

О

Рис. 4 Схема нагружения образца Коэффициент интенсивности напряжений для данного вида образцов определялся по формуле:

-у--м, (3)

где: р - нагрузка на образец;

Ь - расстояние от точки приложения нагрузки до опасного

сечения; £> - диаметр опасного сечения; М- параметр, определяемый по формуле:

М = [(0,4 • Я + 2,61 • лу + (0,0096 ■ Л + 0,0056 • Л2/3 ]

л - геометрический параметр:

I

Л = -

71 ■£>

(4)

(5)

Расчет параметров диаграммы производился на ЭВМ. В результате расчета получены значения ¡ц— и ^ ДА',, на основе которых построен средний участок диаграммы усталостного разрушения моделей судовых валов (рис. 5).

1ё(с11ЛШ) -3

-4

-6

-7

2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 ^(АК)

Рис. 5 Средний участок диаграммы усталостного разрушения экспериментальных образцов.

Этот участок кривой усталостного разрушения позволяет определить основные характеристики уравнения Пэриса (2). Коэффициент П вычисляется по следующей формуле:

п =

1

1«

где х = ^А/С, - значения по оси абсцисс диаграммы; у - - значения по оси ординат диаграммы;

(6)

1 ' 1 ' 5с = — • ^ х,, у = — - средние значения абсцисс и ординат

I ;=1 I /=1

диаграммы;

/ - число точек в расчетном интервале. Коэффициент С определяется по формуле:

\%с = у-пх, (7)

В результате расчетов были получены средние значения, равные П = 4 и ,6-10"15 {мПа■ 4мм)П • мм/ цикл.

Методика расчета долговечности основывается на приведенном выше выражении Пэриса, в котором прирост длины трещины за цикл выражается зависимостью (2)

Согласно модели Д. Ирвина коэффициент интенсивности напряжений является функцией напряжения и длины трещины:

К = у<тэ-4л^а, (8)

где: <гэ - эквивалентное напряжение в сечении брутто, МПа; а - полудлина трещины, мм; у - функция, учитывающие геометрию трещины. Из формул (3) и (8) получаем формулу для определения функции^;

>- = Д-Л/> (9)

V к.а

Из формулы (2) скорость роста трещин может быть представлена в виде:

Отсюда получим число циклов, которое характеризует долговечность:

N = \—7——\ ' (11)

где: /0 - начальный размер трещины, мм;

lk - конечный размер трещины, мм. Из формул (2), (8), (10) и (11) число циклов определяется: N = 'г dl _°Г 2 da

Проинтегрировав выражение (12), получим:

ЛГ_ 4 г 1 1 1

N----J' (13)

(n-2)c7t^2 -у" ■ Асгэ а0 '2 а/2

где: Дсгз - размах напряжения, МПа, Аа3 - crmax - атт ; при

циклическом нагружении Асгз= 2а3.

Эквивалентные напряжения а, в материале гребного вала на кормовой дейдвудной опоре определяются по формуле:

а = jo\2 +

-г z *

где: Ь - длина судна между перпендикулярами, м;

Ьо=Ь/100 - относительная длина судна;

Ткр - касательные напряжения, МПа;

т'кр - эквивалентные напряжения с учетом крутильных колебаний, МПа;

оа - амплитуда переменных напряжений изгиба, МПа;

Ъ - коэффициент, отражающий характер наклона кривой усталости материала гребного вала;

а - отношение пределов выносливости материала гребного вала при изгибе и при кручении.

Таким образом, получена формула (13) для прогнозирования долговечности валов с трещинами.

В третьей главе выполнены расчеты показателей долговечности гребных валов с трещинами для разных судов в зависимости от вида, места расположения и начальных размеров трещин; приведена оценка долговечности гребных валов при наличии в них одновременно несколько трещин.

Расчет показателей долговечности гребных валов с трещинами в зависимости от их начальных размеров, возникающих в районе боль-

шого основания конуса, выполнен для нескольких судов: трех рыболовных, четырех танкеров, в том числе двух танкеров вьетнамской постройки, двух советской постройки и трех сухогрузных судов вьетнамской постройки.

Исходными условиями для расчета являются начальная длина трещины, равная 0,1 мм (это минимальная длина трещины, обнаруживаемая цветным и магнитным методами дефектации) и конечная длина трещины, которая определяется критическим размером трещины, она составляет 0,21). Критическим размером трещины считается конечная длина, при достижении которой гребные валы быстро ломаются.

Результаты расчетов показателей долговечности гребных валов с трещинами этих судов показывают, что можно прогнозировать остаточные ресурсы гребных валов с трещинами до поломки при известных начальных размерах трещин. Остаточный ресурс гребных валов с трещинами значительно зависит от начальных размеров трещин. Например, результаты расчета остаточного ресурса гребного вала с трещинами танкера дедвейтом 1000 т вьетнамской постройки (табл.1) показывают, что при начальной полудлине трещины 0,1 мм остаточный ресурс гребного вала с трещинами составляет 9835 часов, а при начальной полудлине трещины 0,2 мм остаточный ресурс - 9254 часа. То есть, остаточный ресурс уменьшается на 6-7% при развитии полудлины трещины на 0,1 мм. А при развитии полудлины трещины на 0,5 мм остаточный ресурс уменьшается на 15-16%.

Таблица 1

Долговечность гребного вала с трещинами танкера дедвейтом 1000 т вьетнамской постройки в зависимости от их начального размера.

Начальная Конечная Размах экви-

полудлина полудлина валентных Показатель дол-

трещины ао, трещины ак, напряжений говечности

мм мм Аа3, МПа

N. Оста-

цикл точный

106 ресурс, час.

1 2 3 4 5

0,05 25 29,51 236,93 10530

0,1 25 29,51 221,29 9835

0,2 25 29,51 208,22 9254

Продолжение таблицы 1

1 2 3 4 5

0,5 25 29,51 175,41 7796

1,0 25 29,51 155,48 6910

1,5 25 29,51 141,73 6299

2,0 25 29,51 130,91 5818

2,5 25 29,51 121,82 5414

3,0 25 29,51 113,94 5064

3,5 25 29,51 106,94 4753

4,0 25 29,51 100,64 4473

4,5 25 29,51 94,88 4217

* *

24,0 25 29,51 1,87 83

24,5 25 29,51 0,81 36

В работе выполнены расчеты показателей долговечности гребных валов для всех основных видов трещин, которые возникают в районе большого основания конуса, в районе шпоночного паза и под концами кормовых облицовок.

Результаты расчета показателей долговечности гребных валов с трещинами на разных участках при развитии трещин от начальной длины 0,1 мм до критической длины 0,20, где Э - диаметр вала, представлены на графике (рис.6).

При сравнении показателей долговечности гребных валов с трещинами, возникающими на разных участках (рис.6) видно, что остаточный ресурс гребных валов с трещинами, возникающими в районе большого основания конуса является самым низким. Район большого основания конуса гребного вала считается одним из наиболее уязвимых его мест, что связано с сосредоточением в этой зоне значительного изгибающего момента и высоких контактных напряжений от гребного винта.

N.uho 300 ¡О6

10 тип судна

Рис.6 Долговечность гребных валов с трещинами на разных участках а - трещины в районе большого основания конуса; б - трещины под концами кормовых облицовок; в -трещины в районе шпоночного паза: 1 - БМРТ типа "Маяковский"; 2 - танкер дедвейтом 1000 т вьетнамской постройки; 3 - нефтерудовоз пр. 4282; 4 - танкер «Волгонефть» пр. 1577, 550А; 5 - БМРТ типа "Пушкин"; 6 - танкер дедвейтом 3500 т вьетнамской постройки; 7 - средний рыболовный траулер типа СРТ-300; 8 - сухогрузное судно "White Diamond - HL04" дедвейтом 5300 т; 9 - средний рыболовный траулер типа СРТ-400; 10 - сухогрузное судно "Vinaship Gold" дедвейтом 3850 т.

В работе также выполнены расчеты остаточных ресурсов гребных валов с трещинами, расположенными под углом 45° к оси вала и перпендикулярно оси вала. Результаты расчета показывают, что остаточный ресурс гребных валов с трещинами, расположенными перпендикулярно оси вала ниже на 5-7% по сравнению с остаточным ресурсом гребных валов с наклонными трещинами.

В четвертой главе выполнены расчеты показателей долговечности гребных валов с трещинами при эксплуатации ДВС на долевых режимах для всех рассматриваемых судов; определена зависимость показателей долговечности гребного вала с трещинами от диаметра вала; выполнена экспериментальная проверка методики прогнозирования долговечности на образцах-моделях судового вала.

При наличии трещин в судовых валах стоят задачи оценки их долговечности до поломки и поиск путей продления их долговечности. Одним из вариантов продления долговечности судовых валов с трещинами является эксплуатация ДВС на долевых режимах.

Результаты расчета показателей долговечности гребного вала с трещинами сухогрузного судна "Vinaship Gold" дедвейтом 3850 т вьетнамской постройки при эксплуатации ДВС на долевых режимах приведены в таблице 2.

Таблица 2

Долговечность гребного вала с трещинами сухогрузного судна "Vinaship

Gold" дедвейтом 3850 т при эксплуатации ДВС на долевых режимах

Тип судна Долевые режимы Начальная полудлина : тпещины Эл. мм Конечная полудлина трещины ак, мм я S X U й о. С св S х S Й (N 2 II 3 еГ Си <3 Показатель долговечности

N, цикл 10б Остаточный ресурс, час.

Сухогрузное судно "Vinaship Gold" дедвейтом 3850т 100% 0,05 30 54,36 183,7 8136

75% 0,05 30 44,8 398,4 17712

50% 0,05 30 34,41 1145,4 50904

40% мин.наде жная мощ. 0,05 30 29,39 2154,3 95760

Результаты расчета показывают, что при эксплуатации ДВС на 75% номинальной мощности, остаточный ресурс гребного вала с трещинами возрастает с 8136 часов до 17712 часа, т.е в 2,2 раза больше по сравнению с номинальной. При эксплуатации ДВС на 50% номинальной мощности остаточный ресурс гребного вала с трещинами составляет 50904 часа, т.е в 6,2 раза больше по сравнению с номинальной; а при эксплуатации ДВС на 40% мощности (минимальная надежная мощность) остаточный ресурс будет составлять 95760 часов, т.е в 11,7 раза больше по сравнению с номинальной.

На основе результатов оценки долговечности гребного вала с трещинами при эксплуатации ДВС на долевых режимах можно рекомендовать судоходным компаниям в случае наличия трещин на гребных валах эксплуатацию ДВС на долевых режимах.

Результаты расчета показателей долговечности гребного вала с трещинами в зависимости от диаметра вала для танкера дедвейтом 3500 т вьетнамской постройки приведены в таблице 3.

Таблица 3

Долговечность гребного вала с трещинами танкера дедвейтом 3500 т вьетнамской постройки зависит от диаметра вала

оЗ Я Показатель долговеч-

ей « s ж «и w i2 ности

Тип судна Диаметр § S с;

гр.вала D, мм Начальная го тоешины ал. Конечная по трещины ак, S.E ce «S ® г> cá (N s II 8 i о, < N, цикл 106 Остаточный ресурс, час.

Танкер дедвей- 250 0,05 25 48,32 27,6 1224

260 0,05 26 42,95 44,6 2016

том 3500 270 0,05 27 38,35 70,1 3096

т вьетнамской 280 0,05 28 34,39 110,2 4896

постройки 290 0,05 29 30,95 169,3 7560

300 0,05 30 27,96 254,1 11304

Таким образом, остаточный ресурс гребного вала с трещинами значительно зависит от его диаметра. Например, остаточный ресурс гребного вала с трещинами диаметром 290 мм танкера дедвейтом 3500 т вьетнамской постройки составляет 7560 часов, а остаточный ресурс гребного вала с трещинами диаметром 300 мм - 11304 часа. То есть, при увеличении диаметра вала на 10 мм остаточный ресурс вала с трещинами повышается в 1,5 раза.

Сравнение результатов расчета показателей долговечности и результатов, полученных на основе экспериментов на образцах-моделях судового вала, показывает, что методика прогнозирования долговечности судовых валов с трещинами имеет достаточно высокую надежность, среднее значение погрешности по этой методике составляет около 7%.

В пятой главе даются рекомендации по использованию результатов исследования. Одним из путей продления остаточного ресурса гребных валов с трещинами является эксплуатация ДВС на долевых режимах. Такая эксплуатация валов с трещинами позволяет повысить остаточный ресурс от 2 до 12 раз по сравнению с номинальной в зависимости от выбранного режима эксплуатации.

В шестой главе приведено определение экономического эффекта при эксплуатации гребного вала с трещинами на примере гребного вала танкера дедвейтом 3500 т вьетнамской постройки диаметром 290 мм и длиной 7850 мм. В результате применения методики расчета остаточного ресурса гребного вала с трещинами сокращается время на подготовку судна к ремонту с 6 недель до 1 недели, увеличивается эксплуатационное время судна и судовладелец получает прибыль в размере 191 300 USD.

Выводы по работе

1. Для обоснования продления долговечности судовых валов с трещинами разработана методика прогнозирования остаточного ресурса валов на основе механики разрушения деталей. Разработка методики расчета является одним из основных результатов работы.

2. Установлено, что гребные валы с трещинами могут иметь высокий остаточный ресурс до поломки. При эксплуатации ДВС на номинальном режиме для рассматриваемых судов остаточный ресурс составляет от 1060 часов до 10 530 часов; при эксплуатации ДВС на долевых режимах остаточный ресурс возрастает от 2 до 12 раз по сравнению с номинальным режимом.

3. Определены основные константы материала гребных валов, изготовленных из стали 35, используемые для расчета остаточного

ресурса и составляющие П = 4 и С =\,6Л0~15(мПа-л1лш]"-мм! цикл-

4. Подтверждено, что гребной вал с трещинами на участке большого основания конуса имеет наименьший остаточный ресурс.

5. Определено, что остаточный ресурс гребного вала с трещинами значительно зависит от их начального размера и диаметра вала.

6. Установлено, что среднее значение погрешности расчета остаточного ресурса гребных валов с трещинами составляет около 7%.

7. Результаты исследования позволяют продлить долговечность гребных валов с трещинами в эксплуатации, уменьшить вынужденные простои судна, снизить затраты на ремонт и сроки его выполнения.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Доан Ван Тинь. Оценка работоспособности судовых валов с трещинами [Текст] / Доан Ван Тинь, В.А. Мамонтов // Вестн. Астра-хан. гос. техн. ун-та. - 2008. -2 (43). - С. 145-148.

2. Доан Ван Тинь. Расчет долговечности судовых валов с трещинами, наклонными к оси вала [Текст] / Доан Ван Тинь, В.А. Мамонтов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2008. -5 (46). - С. 39-43. По списку ВАК РФ

3. Мамонтов В.А. Построение диаграммы усталостного разрушения моделей судовых валов [Текст] / В.А. Мамонтов, Т.А. Кужах-метов, Р.У. Иксанов, Доан Ван Тинь // Вестн. Астрахан. гос. техн. унта. - 2008. -5 (46). - С. 44-49. По списку ВАК РФ

4. Доан Ван Тинь. Оценка долговечности судовых валов с трещинами [Текст] / Доан Ван Тинь // Наука-Поиск-2008. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2008.- С. 117-121.

5. Доан Ван Тинь. Прогнозирование долговечности судовых валов с трещинами [Электронный ресурс] // Актуальные проблемы развития транспорта и энергетики 2008. - Режим доступ: http://www.caspynews.rU/info/3/579/

6. Доан Ван Тинь. Прогнозирования долговечности гребного вала с трещинами танкера «Волгонефть» проекта 1577, 550А [Текст] / Доан Ван Тинь, В.А. Мамонтов // Перспективы использования результатов фундаментальных научных исследований в судостроении и эксплуатации флота Юга России: Сборник материалов международного научного семинара. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2009. - С. 52-56.

7. Динь Д.Л. Расчет долговечности гребного вала с трещинами

сухогрузного судна дедвейтом 6500 т «Vinaship Gold» вьетнамской постройки [Текст] / Д.Л. Динь, Доан Ван Тинь // Наука-Поиск-2009. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2009. - С.112-115.

8. Доан Ван Тинь. О повышении долговечности судовых валов с трещинами [Текст] / Доан Ван Тинь // Вестн. Астрахан. гос. техн. унта. - 2009. №1/2009. - С. 34-37. По списку ВАК РФ

Подписано в печать 21.10.09 г. Тираж 100 экз. Заказ №710 Типография ФГОУ ВПО «АГТУ», тел. 61-45-23 г. Астрахань, Татищева 16 ж.

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1 Назначение, условия работы, особенности конструкции и технологические характеристики судовых валов.

1.2 Природа и механизм возникновения трещин при циклическом нагружении.

1.3. Развитие трещин с позиций механики разрушения.

1.4 Повреждения судовых валов при эксплуатации и их ремонт.

1.5 Цель и задачи исследования.

2. Теоретические основы исследования развития трещин в судовых валах.

2.1 Виды трещин, возникающих в судовых валах и оценка их характеристик.

2.2 Эксплуатационные факторы, влияющие на процесс развития трещин в валах.

2.2.1 Напряжения в гребных валах.

2.2.2 Крутильные колебания.

2.2.3 Влияние температуры и коррозионной среды.

2.3 Коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещин

2.4 Методика прогнозирования долговечности вала с трещинами

2.5 Выводы.

3. Расчет долговечности гребных валов с трещинами в зависимости от их расположения и характера.

3.1 Долговечность гребных валов с трещинами в зависимости от их начального размера.

3.2 Расчет долговечности гребных валов с трещинами, перпендикулярными к оси вала в районе большого основания конуса.

3.3 Расчет долговечности гребных валов с трещинами, наклонными к оси вала в районе большого основания конуса.

3.4 Расчет долговечности гребных валов с трещинами, перпендикулярными к оси вала под концами кормовой облицовки.

3.5 Расчет долговечности гребных валов с трещинами, наклонными к оси вала под концами кормовой облицовки.

3.6 Расчет долговечности гребных валов с трещинами, перпендикулярными к оси вала в районе шпоночного паза.

3.7 Расчет долговечности гребных валов с трещинами, наклонными к оси вала в районе шпоночного паза.

3.8 Оценка долговечности гребных валов при наличии в них одновременно несколько трещин.

3.9 Выводы.

4. Пути продления долговечности гребных валов с трещинами

4.1 Расчет долговечности гребных валов с трещинами при эксплуатации ДВС на долевых режимах.

4.2 Расчет долговечности гребных валов с трещинами в зависимости от диаметра вала.

4.3 Экспериментальная проверка методики прогнозирования долговечности на образцах-моделях судового вала.

4.4 Выводы.

5. Рекомендации по использованию результатов исследования.

6. Определение экономического эффекта при эксплуатации гребного вала с трещинами.

Судовые валы являются ответственными элементами судовых энергетических установок, к которым предъявляются высокие требования по надежности и долговечности. В процессе эксплуатации валы приобретают дефекты в виде усталостных трещин, которые являются сильными концентраторами напряжений и приводят к усталостному разрушению.

В процессе освидетельствования Российским морским регистром судоходства или при ремонте в случае обнаружения трещин любых размеров гребные валы бракуются. Судно выводится из эксплуатации и длительное время находится в вынужденном простое из-за отсутствия нового гребного вала. Продолжительность такого простоя по опытным данным составляет 6-8 неделей и более.

В литературе имеются сведения о длительной эксплуатации деталей ответственного назначения, имеющих трещины в зависимости от параметров трещин, материала и условий нагружения, а также условий возникновения трещин. Эти сведения для судовых валов и практика их эксплуатации с трещинами отсутствуют.

Прогнозирование долговечности судовых валов с трещинами позволило бы определить остаточный ресурс, тем самым продлить его эксплуатационный период, выполнить подготовку к ремонту, сократить вынужденные простои судна и уменьшить затраты на ремонт и сроки его выполнения.

Поэтому изучение проблемы прогнозирования долговечности судовых валов с трещинами является актуальной.

В мировой практике эксплуатации крупнотоннажных судов систематически наблюдаются повреждения и поломки гребных валов. Причины повреждений весьма разнообразны. Наиболее опасными повреждениями в валах являются усталостные трещины. Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях и затем развивается в глубь вала, образуя острый надрез.

Такие трещины являются сильными концентраторами напряжений, которые под действием циклических нагрузок приводят к разрушению валов.

Изучение повреждений гребных валов и анализ приведенных данных показали, что наиболее повреждаемые участки вала следующие: участок шпоночного паза; участок в районе большого основания конуса и участки вала под торцами облицовок.

В процессе освидетельствования Морским регистром судоходства или дефектации гребных валов при обнаружении трещин они могут располагаться по окружности, то есть перпендикулярно оси вала, наклонно к оси вала, а также встречаются х-образные трещины.

Целью диссертационной работы является продление долговечности судовых валов с трещинами в эксплуатации. Для достижения поставленной цели необходимо обнаружить трещины, возникающие в судовых валах; определить их расположение и начальные размеры; рассмотреть и оценить факторы, влияющие на процесс развития трещин и на основе теории механики разрушения разработать методику прогнозирования долговечности судовых валов с трещинами.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложений.

В первой главе приведен анализ конструкции судовых валов; произведено изучение природы, механизма возникновения трещин и развития трещин с позиций механики разрушения; изучены повреждения гребных валов; сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены виды усталостных трещин, их расположение и начальные размеры в гребных валах; исследовано влияние факторов на процесс развития трещин в гребных валах; разработана методика определения коэффициента интенсивности напряжений; определены постоянные величины С и У1, входящие в выражении Пэриса по результатам экспериментального исследования; разработана методика прогнозирования долговечности гребных валов с трещинами.

В третьей главе выполнены расчеты долговечности гребных валов с трещинами для разных судов в зависимости от различного вида, места расположения и начальных размеров трещин; приведена оценка долговечности гребных валов при наличии в них одновременно несколько трещин.

В четвертой главе выполнены расчеты долговечности гребных валов с трещинами при эксплуатации ДВС на долевых режимах; выполнены расчеты долговечности гребных валов с трещинами в зависимости от диаметра вала; разработана экспериментальная проверка методики прогнозирования долговечности на образцах-моделях судового вала.

В пятой главе разработаны рекомендации по использованию результатов исследования. Одним из путей продления долговечности гребных валов с трещинами является эксплуатация ДВС на долевых режимах. Такая эксплуатация валов с трещинами позволяет повысить остаточную долговечность от 2 до 12 раз по сравнению с номинальной в зависимости от выбранного режима эксплуатации.

В шестой главе приведено определение экономического эффекта при эксплуатации гребного вала с трещинами на примере гребного вала танкера дедвейтом 3500 т вьетнамской постройки диаметром 290 мм и длиной 7850 мм. В результате применения методики расчета остаточной долговечности гребного вала с трещинами сокращается время на подготовку судна к ремонту с 6 недель до 1 недели, увеличивается эксплуатационное время судна и судовладелец получает прибыль в размере 191 300 USD или 5 930 310 рублей.

Результаты диссертационной работы положены в основу практических рекомендаций для прогнозирования долговечности судовых валов с трещинами.

7. Результаты исследования позволяют продлить долговечность гребных валов с трещинами в эксплуатации, уменьшить вынужденные простои судна, снизить затраты на ремонт и сроки его выполнения.

1. Алексеев В.Г. Некоторые закономерности роста трещин при циклических нагрузах / В.Г. Алексеев // Выбор и обоснование методов и норм контроля качества сварных соединений. Л.: ДАНТП, 1976. — с.36 - 43.

2. Балацкий JI. Т. Анализ повреждений гребных валов на крупнотоннажных нефтеналивных судах типа «Прага» / JI.T. Балацкий и др. // Морской флот, 1970, №2.

3. Балацкий JI. Т. О развитии трещин в процессе усталости пр фретинге / Балацкий J1. Т., Филимонов Г.Н. // Судостроение, 1968, №11.

4. Балацкий Л. Т. Повреждения гребных валов / Л. Т. Балацкий, Г. И Филимонов. -М.: Транспорт, 1970. 141 с.

5. Балацкий Л. Т. Ремонт гребных валов / Л. Т. Балацкий. Одесса: Маяк, 1970.-58 с.

6. Балацкий Л. Т. Усталость валов в соединениях / Л. Т. Балацкий. Киев: Техшка, 1972.- 180 с.

7. Балтер М. А. Упрочнение деталей машин / М. А. Балтер. М.: Машиностроение, 1978. - 184 с.

8. Бернштейн М. Л. Механические свойства металлов / М. Л. Бернштейн, В. А. Займовский. М.: Металлургия, 1979. - 495 с.

9. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций / В.В. Болотин. М.: Машиностроение, 1984 - 312 с.Ю.Броек Д. Основы механики разрушения / Д. Броек. — М.: Высш. шк., 1980.-367 с.

10. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов / В. Вей- < булл. М.: Машиностроение, 1964. — 275 с.

11. Гаврилов B.C. Техническая эксплуатация судовых дизельных установок / B.C. Гаврилов и др. М.: Транспорт, 1975. - 296 с.

12. Гордеева Т.А. Анализ изломов при оценке надежности материалов / Т.А. Гордеева, И.П. Жегина. М.: Машиностроение, 1978. - 200 с.

13. ГОСТ 25.502-79. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. Введ. 1981-01-01. — М.: Изд-во стандартов, 1979.-32 с.

14. ГОСТ 25.504-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости. — Введ. 1983 07 - 01. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 55 с.

15. ГОСТ 27609-88. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Основные положения и требования к проведению и нормативно — техническому обеспечению. — Введ. 1989 01- 01. - М.: Изд-во стандартов, 1988. — 13 с.

16. ГОСТ 8536-79. Заготовки судовых валов и баллеров рулей. Технические условия. — Введ. 1981 01- 01. -М.: Изд-во стандартов, 1979. -31с.

17. Дорошенко П. А. Технология производства судовых энергетических установок / П. А. Дорошенко, А. Г. Рохлин, В. П. Булатов и др. Л.: Судостроение, 1988. - 440 с.

18. Золоторевский В. С. Механические свойства металлов / В. С. Золото-ревский. 2-е изд. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

19. Иванова В. С. Природа усталости металлов / В. С. Иванова, В. Ф. Терентьев. М.: Металлургия, 1975. - 455 с.

20. Искрицкий Д. Е. Усталость металлов в конструкциях / Д. Е. Искриц-кий. М.: Физматгиз, 1960. - 87 с.

21. Когаев В. П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: справочник / В. П. Когаев, Н. А. Махутов, А. П. Гусен-ков. М.: Машиностроение, 1985. - 223 с.

22. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / В. П. Когаев. — М.: Машиностроение, 1977. 232 с.

23. Комаров В.В., Курылев А.С. Валопроводы рыбопромысловых судов. 4.1: Конструкция, эксплуатация и общие вопросы проектирования. -Астрахань.: издательство АГТУ, 1997, 166 с.

24. Кохан Н. М. Ремонт валопроводов морских судов : б-чка судомеханика / Н. М. Кохан, В. И. Друт. М.: Транспорт, 1980. - 240 с.

25. Кужахметов Т.А. Разработка и обоснование технологии восстановле- ■ ния работоспособности судовых валов с трещинами при ремонте. Дис.канд.техн.наук.-Астрахань, 2009.-135с.

26. Кудрявцев И. В. Усталость крупных деталей машин / И. В. Кудрявцев и др. М.: Машиностроение, 1981. - 237 с.

27. Кудрявцев И. В. Экспериментальные исследования конструкционной прочности машиностроительных материалов и деталей машин / И. В. Кудрявцев, Н.М. Савина. М.: Машиностроение, 1967. - 228 с.

28. Лахтин Ю. М. Материаловедение / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. -М.: Машиностроение, 1990. 525 с.

29. Людвик П. Основы технологической механики / П. Людвик // Расчеты на прочность.-М.: Машиностроение. 1971.-Вып. 15.-С. 132-166.

30. Лебедев О.Н. Двигатели внутреннего сгорания речных судов / О.Н. Лебедев и др. М.: Транспорт, 1990. - 328 с.

31. Масол В.А. Сопротивление усталости крупных валов из углеродистой стали в связи с технологией обработки / В.А. Масол, М.Я. Белкин, В.Н. Тарасова//Проблемы прочности, 1971, №5.-с 101-106.

32. Маталин A.A. Технологические методы повышения долговечности деталей машин / A.A. Маталин.- Киев: Техшка, 1971. 142 с.

33. Морозов Н.Ф. Математические вопросы теории трещин / Н.Ф. Морозов. М.: Наука, 1984. - 256 с.35,Олейник Н. В. Выносливость деталей машин / Н. В. Олейник. Киев: Техника, 1979. - 199с.

34. Олейник Н. В. Несущая способность элементов конструкций при циклическом нагружении / Н. В. Олейник. Киев: Наук, думка, 1983. -238с.

35. ОСТ 5.4097-85. Валы судовых валопроводов. Общие технически условия. Введ. 1987- 01- 01. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 106 с.

36. ОСТ 5.9049-78. Валы гребные судовых валопроводов. Типовой технологический процесс упрочнения. Введ. 1980- 01- 01. - М.: Изд-во стандартов, 1978. - 12 с.

37. ОСТ 5.9648-76. Валы судовых валопроводов. Типовые технологические процессы изготовления. Введ. 1978 - 01-01.-М.: Изд-во стандартов, 1976. - 122 с.

38. ОСТ 5.9670-77. Соединения конические судовых валопроводов. Сборка и разборка. М.: Изд-во стандартов, 1977. - 49 с.

39. Партон В.З. Механика упругопластических разрушения / В.З. Партон, Е.В. Морозов. М.: Наука, 1985. - 504 с.