Исследование нагружения подшипников судового валопровода

УДК 621.822.8, 629.54 Р. Н. Гаврилюк,

аспирант, СПГУВК

ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЖЕНИЯ ПОДШИПНИКОВ СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА

THE RESEARCH OF LOADING OF SHIP'S SHAFTING BEARINGS

В работе произведено исследование нагружения подшипников судового валопровода для определения нагрузок на них. Определены основные факторы, влияющие на перераспределение нагрузок на опорах валопровода, и на примере судна выполнен соответствующий расчет.

The article represents the research of loading of ship's shafting bearings for the bearing loading calculation. The main factors influencing the load transfer between shaft bearings are revealed and the appropriate calculation is made on a vessel's example.

Ключевые слова: судовой валопровод, подшипник, нагрузка. Key words: ship's shafting, the bearing, the loading.

П

РОБЛЕМА повышения эффективности работы транспорта, в том числе и водного, является актуальной.

Эффективность работы судов зависит от надежности функционирования устройств, систем, энергетических установок. Одним из важнейших элементов конструкции судна является валопровод.

С увеличением водоизмещения, скорости хода судов, мощности энергетических установок возрастают нагрузки на валопрово-ды, что приводит к увеличению их размеров. С увеличением размеров повышается жесткость валопроводов и возрастают требования по качеству их монтажа и центровки [1].

Валопровод представляет собой сложную систему, от которой зависит живучесть судна или корабля, он соединяет главный дви-

гатель с движителем (гребным винтом). Ва-лопроводы характеризуются разнообразием геометрических характеристик и конструктивных элементов: количеством, длиной, диаметром отдельных валов и конструкциями их соединений; количеством, типом и расстановкой подшипников, наличием встроенных механизмов. Валопроводы одновинтовых судов размещаются в диаметральной плоскости. У многовинтовых судов при четном числе винтов они располагаются по бортам, при нечетном валопроводы состоят из диаметральной и бортовой линий [2]. На рис. 1 показана типичная конструкция валопровода крупнотоннажного танкера.

Подшипники устанавливают на судовой фундамент, встраивают в дейдвудные устройства и кронштейны. Главный упорный

£

Рис. 1. Валопровод крупнотоннажного танкера

подшипник служит для восприятия передаваемого валами упора и передачи его корпусу судна. Опорные подшипники являются промежуточными опорами валопровода. Опоры валопровода крепятся к корпусу судна и, следовательно, испытывают разного рода смещения во время эксплуатации судна. Кроме того, подшипники опор изнашиваются, что приводит к дополнительным перемещениям валов, изменению реакций опор и напряженно-деформированному состоянию (НДС) валопро-вода.

От других судовых механизмов вало-проводы отличаются большой протяженностью в корпусе судна, которая делает их гибкими. Корпус судна для устанавливаемого на нем оборудования представляет собой нестационарное упругое основание, которое в зависимости от места нахождения судна — на стапеле или на плаву, условий его загрузки и плавания (на тихой воде или при волнении) — меняет свою жесткость [2].

Рассмотрим нагрузки, действующие на судовой валопровод, которые необходимо учитывать при подготовке валопровода для расчета. Они делятся на внешние и внутренние, активные и реактивные [3]. Основными активными внешними нагрузками являются силы веса элементов валопровода и его устройств и действие сил инерции, которое возникает при качке судна из-за динамической неуравновешенности масс. Реактивные силы — это реакции опор, которые распределены по местам контакта судового валопро-вода с подшипниками. От действия внешних нагрузок валопровод испытывает деформа-

ции изгиба, и в его поперечных сечениях возникают нормальные и касательные напряжения, результирующими которых являются внутренние усилия — изгибающие моменты и поперечные силы.

Из-за поперечных нагрузок на подшипниках валопровода возникают опорные реакции Я. Они уравновешивают нагрузку и поэтому должны удовлетворять уравнениям статического равновесия, согласно которым их алгебраическая сумма с распределенными q и сосредоточенными силами веса О равна нулю и нулю равна сумма моментов всех этих сил, т. е.

где: q, О, Я — распределенные и сосредоточенные поперечные силы;

М (^ О, Я) — моменты этих сил.

Это обязательное требование, предъявляемое к опорным реакциям валопровода [2].

Продольный общий и местный изгиб корпуса судна через фундаменты подшипников (рис. 2) приводит к их соответствующим радиальным перемещениям, т. е. состояние центровки валопровода находится в зависимости от упругой линии корпуса.

Количественная оценка взаимодействия корпуса судна с валопроводом может быть получена из рассмотрения корпуса и валопрово-да как двух балок с одинаковым искривлением. У таких балок изгибные напряжения обратно пропорциональны наиболее удаленным волокнам от нейтральной оси:

Рис. 2. Влияние изгиба корпуса на опоры валопровода: а — от общего продольного изгиба, б — от местных деформаций

2К

где: ов, ас — изгибные напряжения в вале и в корпусе судна;

ё — диаметр вала;

кн — расстояние от нейтральной оси до наиболее удаленного волокна корпусной конструкции.

Подстановка в формулу величины к н для эквивалентного бруса корпуса судна дает соотношение изгибных напряжений в валу к из-гибным напряжениям в корпусе судна от его общего изгиба. Однако формула справедлива только при строго одинаковой упругой линии сопоставляемых балок. На рис. 2 видно, что деформации днищевого перекрытия в кормовом трюме не оказывают никакого влияния на валопровод, так как фундамент подшипника № 1 находится у переборки, где стрелка прогиба днища близка к нулю. Деформация носового трюма полностью передается на подшипник № 2, так как его фундамент находится на гребне этой деформации. Таким образом, для оценки влияния на валопровод местного изгиба в формулу нужно подставлять то напряжение, которое испытывает днище в районе расположения фундамента подшипника.

Опорные реакции — это та реактивная нагрузка, которую испытывают подшипники и которая обусловливает условия их эксплуатации. Опорные реакции контролируют изгибающие моменты по длине валопровода от кормовой опоры гребного вала до крайней носовой опоры машинного вала. Любое радиальное перемещение подшипника приводит к перераспределению опорных реакций и полной перестройке эпюры изгибающих момен-

Рис. 3. Связь между изгибом валопровода и опорными реакциями

тов. Если к балке приложить некоторую систему сосредоточенных сил Р. (рис. 3), то она получит определенное пространственное искривление со стрелками прогиба V. под силами. Если в точках приложения сил установить опоры, а силы убрать, то на опорах возникнут реакции, равные силам Р. с противоположным знаком.

Для решения вопросов, связанных с жесткостью и деформацией корпуса судна при общем и местном изгибе, что приводит к изменению пространственного положения подшипников и увеличению действующих на него нагрузок, было произведено исследование конструкций валопроводов различных типов и классов судов; на примере военного торпедного катера проекта 206М произведен соответствующий расчет.

Военный торпедный катер проекта 206М имеет водоизмещение 250 т и развивает скорость 44 узла. Судно имеет трехвальную систему валов и оснащено тремя дизельными установками М-504 общей мощностью 11 000 кВт.

Расчет валопровода произведен с помощью программы «Вал-Оптим» — «Расчет оптимального расположения опор валопро-вода и главного двигателя», разработанной в ОАО «Центр технологии судостроения и судоремонта» (ЦТСС). Программа предназначена для выполнения расчетов технологических параметров центровки валопроводов при разработке технологических процессов монтажа валопроводов и главных двигателей водоизме-щающих судов всех типов и классов, а также может использоваться при проектировании судовых валопроводов. Программа позволяет определять деформации и напряжения изгиба в сечениях валопровода, нагрузки на опоры и характер распределения нагрузок в протяженных подшипниках. Расчет производился с учетом деформаций корпуса судна от внешних факторов:

— жесткость и деформация корпуса судна при общем и местном изгибе;

— остаточная деформация корпуса в результате

перераспределения сварочных напряжений;

— температурные расширения фундаментной рамы двигателя;

— действие гидродинамического момента на винт;

— влияние возможных расцентровок в соединении валопровода и главного двигателя.

университета ШИПИ водных дДДДтдр коммуникации

Основные исходные данные: количество элементов, их длина, наружный и внутренний диаметры элементов, а также сосредоточенная сила, действующая на узел, — представлены в табл. 1-3. Для каждого из используемых материалов задаются соответствующий модуль упругости и сдвига в МПа, а также плотность материала в кг/куб. м.

Таблица 1

валопровода

Параметр Значение

Количество элементов 26

Число точечных опор валопровода 2

Количество типов дейдвудных подшипников 1

Количество изгибающих моментов 1

Количество сосредоточенных сил 2

Количество типов материала 1

Модуль упругости материала № 1, МПа 205938,60

Модуль сдвига материала № 1, МПа 78452,80

Плотность материала № 1, кг/м3 7800,00

Модуль упругости дейдвудного подшипника типа 1, МПа 47071,70

Примечание. Дейдвудным подшипником условно считается всякий подшипник, не рассматриваемый в качестве точечной опоры.

Таблица 2

Параметры подшипников

Параметр Значение

Количество дейдвудных подшипников 1

Количество элементов с учетом дейдвудных подшипников 31

Количество участков на дейдвудном подшипнике 1 5

Признак материала вкладыша на дейдвудном подшипнике 1 0

Номер элемента дейдвудного подшипника 1 5

Длина дейдвудного подшипника 1, мм 770,00

Угол наклона дейдвудного подшипника 1 относительно теоретической оси

валопровода, рад 0,00015

Смещение кормового торца дейдвудного подшипника 1 относительно теоретической

оси валопровода, мм 0,15

Диаметральный зазор в дейдвудном подшипнике 1, мм 0,90

Толщина вкладыша дейдвудных подшипников, мм 25,00

Таблица 3

Смещения и реакции опорных подшипников

Параметр Значение

Расстояние от кормового торца дейдвудного подшипника 1 до точки приложения

суммарной реакции, мм 344,05

Суммарная реакция на дейдвудный подшипник 1, кН 51,76

Смещение точечной опоры в узле номер 20 (25), мм 0,00

Смещение точечной опоры в узле номер 24 (29), мм 0,00

Реакция точечной опоры в узле номер 20 (25), кН 82,96

Реакция точечной опоры в узле номер 24 (29), кН 14,11

Учет деформаций корпуса судна от внешних факторов, приводящих к изменению положения опорных подшипников, задается в соответствии с полученными данными другого расчета, выполненного с использованием программы Р804.0 «Расчет общей прочности корпуса по Правилам Российского Морского Регистра», имеющей допуск № 7 от 08.04.97 г.

Результаты расчета.

На рис. 4 представлена упругая линия валопровода.

На рис. 5 — изменение изгибающего момента по длине валопровода. Из графика видно, что максимальный изгибающий момент находится на всем протяжении дейд-вудного подшипника, также он имеет высокое значение на первом опорном подшипнике — узел 25.

На рис. 6 показано распределение поперечной силы по длине валопровода.

Из графика видно, что поперечная сила максимальна на первом опорном подшипнике

Рис. 4. Упругая линия валопровода пр. 206М

л са

Распределение изгибающего момента по длине валопровода

15000 10000 I 5000

о

I

О)

о

^ -5000 К X

3" -1 оооо

2

<л

Ю -15000

-20000 -25000

и

4 Т о 1 12 Г3 1 4 1 5 1 6 1 7 20 22 23 24 25 261 ¡7 2 8 29 30 3 32

№ узла валопровода

Рис. 5. Распределение изгибающего момента по длине валопровода

Рис. 6. Распределение поперечной силы по длине валопровода

Распределение напряжений по длине валопровода

1 г 7 10 11 12 13 14 15 16 18 19 20 21 * 23 24 25 26 27 28 29 ЗС 31 32

\ *

№ узла валопровода

Рис. 7. Распределение напряжений по длине валопровода

и составляет 82 кН, по сравнению со вторым: 14 кН — узел 29.

На рис. 7 представлено распределение максимальных напряжений по длине вало-провода.

Было определено, что максимальные напряжения возникают на всем протяжении дейдвудного подшипника и на первом опорном подшипнике.

Сравнивая полученные результаты, можно сделать следующие выводы.

1. На всем протяжении дейдвудного подшипника гребной вал имеет максимальный изгибающий момент и напряжения.

2. Относительно распределения максимальных напряжений можно отметить, что характер их распределения в зоне опорных подшипников для рассмотренного случая не

является оптимальным, так как один подшипник значительно перегружен по сравнению с другим.

3. Хотя подшипник способен выдержать возникающие дополнительные нагрузки от внешних факторов, можно сделать вывод, что принятое взаимное осевое расположение опор рассмотренного судового валопровода не является оптимальным в оценке по его НДС и ресурсу. Для того случая, если по различным причинам недопустимо смещать опору, можно

рекомендовать упругое крепление этой опоры на специальные компенсаторы.

4. Опорные реакции определяют на-гружение подшипников, и при известных реакциях становятся известными изгибающие моменты и изгибные напряжения в сечениях валопровода. Опорные реакции на подшипниках являются не только параметром, но и критерием для оценки несущей способности валопровода, его подшипников и валов.

Список литературы

1. Гаращенко П. А. Повышение работоспособности судовых валопроводов методами оптимизации и стабилизации параметров центровки / Автореф. дисс. ... д-ра техн. наук. — СПГМТУ, 2001.

2. Лубенко В. Н., Вязовой Ю. А. Монтаж судовых валопроводов. — СПб: Судостроение, 2007. — 396 с.

3. Бойцов Г. В. и др. Справочник по строительной механике корабля: В 3 т. Т. 1. Общие понятия. Стержни. Стержневые системы и перекрытия / Г. В. Бойцов, О. М. Палий, В. А. Постнов, В. С. Чувиковский. — Л.: Судостроение, 1982. — 376 с.