Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Азимутальные пропульсивные системы морских судов с винторулевыми колонками
1.1. Современные морские суда с винторулевыми колонками 12
1.2. Конструктивные особенности винторулевых колонок различных изготовителей 19
1.3. Эксплуатационная загруженность морских судов с винторулевыми колонками 27
1.4. Анализ отказов и неисправностей винторулевых колонок морских судов 31
1.5. Постановка задачи исследования 36
Глава 2. Контроль технического состояния винторулевых колонок в эксплуатации
2.1. Анализ методов контроля состояния судовых технических средств 40
2.2. Визуальный, параметрический и трибологический контроль технического состояния винторулевых колонок в эксплуатации 43
2.3. Метод контроля технического состояния винторулевых колонок по вибрационным параметрам 45
2.4. Анализ и оценка технического состояния винторулевых колонок по вибрационным параметрам 54
Глава 3. Исследование вибрационных характеристик винторулевых колонок морских судов
3.1. Контроль технического состояния винторулевых колонок фирмы «Schottel» по среднеквадратичным значениям уровней вибрации 62
3.2. Контроль технического состояния винторулевых колонок фирмы «Aquamaster» по среднеквадратичным значениям уровней вибрации 67
3.3. Оценка погрешности измерений вибрации винторулевых колонок 69
3.4. Анализ результатов контроля вибрации элементов винторулевых колонок на характерных частотах 71
3.5. Результаты испытаний винторулевых колонок с винтом регулируемого шага в широком диапазоне изменения нагрузок 80
Глава 4. Совершенствование эксплуатации пропульсивных комплексов морских судов на основе контроля вибрации винторулевых колонок
4.1. Математическая модель вибрации винторулевых колонок на основе теории планирования эксперимента 86
4.2. Анализ результатов испытаний винторулевых колонок фирмы «Schottel» 92
4.3. Причины возникновения повышенной вибрации пропульсивных комплексов фирмы «Schottel» 98
4.4. Рекомендации по совершенствованию эксплуатации азимутальных пропульсивных комплексов с винторулевыми колонками 106
4.5. Конструктивные способы устранения повышенных уровней вибрации пропульсивных комплексов типа «Schottel» 109
Заключение 112
Список использованных источников 114
- Эксплуатационная загруженность морских судов с винторулевыми колонками
- Метод контроля технического состояния винторулевых колонок по вибрационным параметрам
- Анализ результатов контроля вибрации элементов винторулевых колонок на характерных частотах
- Причины возникновения повышенной вибрации пропульсивных комплексов фирмы «Schottel»
Введение к работе
Актуальность проблемы исследования. С середины 90"х годов XX века морской флот стал пополняться судами с пропульсивными комплексами, позволяющими изменять направление упора винта относительно продольной оси судна на 360. Производители предлагают большой выбор различных компоновочных схем таких комплексов с различными типами передачи мощности, но широкое распространение на судах с мощностью главного двигателя до 3000 кВт получили пропульсивные комплексы с механической передачей. В состав такого комплекса входит главный двигатель, валопровод и винторулевая колонка. Они относительно недороги в изготовлении, компактны, эффективны в эксплуатации, обладают высокой надежностью, позволяют сократить длину машинного отделения и т.д.
Безопасная и эффективная эксплуатация судовых технических средств, в том числе и ВРК, невозможна без контроля их технического состояния, который позволяет своевременно обнаружить и устранить неполадки и неисправности в процессе эксплуатации, особенно на ранних стадиях развития дефектов. Причинами возникновения неисправностей оборудования и механизмов, спроектированных с использованием современных достижений в конструировании, технологии и материаловедении, могут быть: - конструктивные просчеты на стадии проектирования механизмов и оборудования; недостаточные требования Классификационных Обществ к механизмам и оборудованию на стадии постройки и сдачи судна в эксплуатацию; - различные факторы, связанные с технологией производства механизмов и оборудования и их отдельных элементов; - неправильная эксплуатация технических средств, вызванная особенностями конструкции, не отраженными в инструкциях по эксплуатации; - недостаточная квалификация обслуживающего персонала и экипажей судов.
Для предотвращения аварийных ситуаций и повышения безопасности мореплавания различными Классификационными Обществами предусмотрено проведение периодических освидетельствований, которые позволяют определить исправность СТС и их пригодность к дальнейшей эксплуатации. Порядок, сроки и объёмы освидетельствований для судов, поднадзорных Морскому Регистру Судоходства РФ изложены в «Правилах классификации и постройки морских судов». Ответственные механизмы и машины PC предписывает предъявлять в разобранном состоянии. Это требует наличия специализированных судоремонтных предприятий, привлечения высококвалифицированных специалистов и связано с большими материальными затратами судовладельца.
Однако руководящие документы PC допускают проведение освидетельствований по данным регулярного контроля технического состояния безразборными методами технической диагностики. В связи с этим актуальны задачи, которые связаны с разработкой безразборных методов контроля и оценки технического состояния СТС, в том числе и ВРК, что позволяет сократить расходы на техническое обслуживание и ремонт.
Объект исследования. Азимутальные пропульсивные системы с винторулевыми колонками морских судов с мощностью главного двигателя от 300 до 3000 кВт различных производителей.
Предмет исследования - вибрационные характеристики АПС с ВРК морских судов и предложения по совершенствованию их эксплуатации.
Цель работы: разработка метода контроля вибрационных характеристик ВРК морских судов для оценки их технического состояния.
Для достижения цели диссертационной работы с учетом анализа использующихся на практике безразборных методов технической диагностики СТС морских судов и документов Классификационных обществ, поставлены следующие основные задачи: - анализ конструкций АПС с ВРК различных производителей; - сбор и анализ отказов и неисправностей АПС с ВРК и их элементов; разработка метода контроля технического состояния АПС с ВРК по вибрационным характеристикам; контроль вибрации ВРК морских судов различного назначения и анализ результатов для определения их технического состояния; разработка математической модели вибрации ВРК в зависимости от различных эксплуатационных факторов пропульсивного комплекса; выбор и назначение режимов эксплуатации ВРК на основе анализа результатов вибрационного контроля; - разработка рекомендаций по совершенствованию конструкций АПС с ВРК.
База исследования. Исследования по теме диссертации проводились на кафедре «Эксплуатация судовых механических установок» МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова и на морских судах ОАО «Туапсинский морской торговый порт», ЗАО «Совфрахт - Приморск», ОАО «Морской порт Усть-Луга», группы компаний «Palmali», ОАО «Флот Новороссийского морского торгового порта».
Методы решения поставленных задач. В диссертации использованы экспериментальные и статистические методы исследования; для построения математической модели использована теория планирования эксперимента.
9 Наиболее существенные результаты, полученные лично соискателем: - дана качественная и количественная оценка информации по отказам и неисправностям ВРК различных типов; проанализированы результаты экспериментальных и расчетных исследований вибрации ВРК различных производителей; разработан метод контроля технического состояния ВРК по вибрационным параметрам; создана математическая модель вибрации ВРК в зависимости от различных эксплуатационных факторов пропульсивного комплекса; выработаны рекомендации по выбору и назначению режимов эксплуатации пропульсивных комплексов с ВРК на основе контроля вибрации в эксплуатации; - приводятся предложения по совершенствованию конструкций пропульсивных комплексов с ВРК с целью снижения их вибрации.
Научная новизна работы заключается в: - разработке метода контроля технического состояния ВРК; - создании математической модели влияния эксплуатационных факторов на вибрацию ВРК; - полученных результатах контроля вибрации АПС с ВРК различных конструктивных исполнений.
Практическая значимость работы заключается в разработке и использовании метода контроля технического состояния ВРК, который получил одобрение Главного управления Морского Регистра судоходства РФ. Использование этого метода позволило снизить расходы на техническую эксплуатацию судов с ВРК и повысить безопасность мореплавания. Результаты работы внедрены в ОАО «Совфрахт - Приморск», ОАО
10 «Туапсинский морской торговый порт», ОАО «Морской порт Усть-Луга», группу компаний «Palmali».
Достоверность научных результатов обеспечивается: - использованием апробированных и признанных методов и методик исследования (вибрационных, анализа статистических данных по отказам и неисправностям); применением приборов и систем измерений, прошедших метрологическую аттестацию в соответствии с ГОСТ 8.326 — 89; - проведением натурных испытаний и результатами эксплуатации после внедрения предложений по назначению режимов эксплуатации пропульсивных комплексов с ВРК.
На защиту выносится: результаты анализа отказов и неисправностей ВРК различных изготовителей; метод контроля технического состояния ВРК по вибрационным параметрам; математическая модель влияния эксплуатационных факторов на вибрацию ВРК; результаты контроля вибрации ВРК различных изготовителей и назначенные режимы эксплуатации АПС с ВРК; - рекомендации по конструктивному совершенствованию АПС с ВРК. Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: региональных научно - технических конференциях в МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск, 1999 - 2008 гг.); международных симпозиумах «Transport Noise and Vibration», (г. Санкт-Петербург, 2002, 2004, 2006 гг.); международном конгрессе «МехТрибоТранс», (г. Ростов на Дону, 2003 г.); региональной научно-техническая конференции (г. Владивосток, 2005); всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях», (г. Санкт-Петербург, 2006 в Новороссийском филиале Российского Морского Регистра Судоходства (PC) (г. Новороссийск, 2007 г.); на заседании секции научно -технического совета отдела механического оборудования и систем ГУ PC РФ (г. Санкт Петербург, 2007 г.); международной научно - технической конференции «Наука и образование - 2008» в Мурманском государственном техническом университете (г. Мурманск, 2008 г.).
Публикации по теме диссертации. Основная часть материала прошла рецензирование и опубликована в виде научных статей в следующих изданиях: журнал «Речной транспорт XXI век» (№ 1, 2009 г.), Известия ВУЗов, Северокавказский регион (2008 г.), Сборник докладов международного конгресса «Механика и трибология транспортных систем -2003», сборник выступлений и публикаций на Международной научно-технической конференции «Наука и образование - 2008», сборник трудов сотрудников «Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» (1999 - 2009 гг.).
Из них две статьи опубликованы в ведущих рецензируемых журналах ВАК.
Эксплуатационная загруженность морских судов с винторулевыми колонками
Поворотные (нижние) части ВРК фирм «Schottel» и «Aquamaster» литые. Сверху, на поворотной части, крепится силовая проставка, на которой установлена подвижная обойма поворотного подшипника большого диаметра. Она выполнена в виде зубчатого венца для привода механизма поворота колонки. В вертикальной части устанавливаются подшипники вертикального вала, снизу крепится корпус нижнего редуктора и насадка винта.
Вращение от верхнего редуктора к нижнему редуктору передается на ВРК обеих фирм с помощью вертикального (промежуточного) вала. У «Schottel» промежуточный вал полый и соединяется с валами редукторов шлицевыми соединениями, а на ВРК «Aquamaster» вертикальный вал сплошной и состоит из двух частей, соединяемых с валами редукторов при помощи фланцев. Корпуса нижних редукторов обоих фирм литые и аналогичны по конструкции. В передней части корпуса находятся упорный и опорно-упорный подшипники вала винта. В задней части корпуса расположен опорный подшипник и блок дейдвудных уплотнений. На выходном конце вала винта напрессован гребной винт. В корпусе нижнего редуктора находятся технологические лючки с отверстиями для слива масла и осмотра зацепления нижнего редуктора. Все подшипники нижнего редуктора роликовые. Гребной винт размещен в профилированной насадке. Насадка сварная полая, крепится к поворотной части колонки и корпусу нижнего редуктора.
Весь внутренний объем ВРК заполнен смазочным маслом. Например, объем смазочного масла для ВРК типа SRP1010 «Schottel» и US205 «Aquamaster» составляет 1300 - 1400 литров, а для ВРК типа SRP2020CP «Schottel» - 4000 литров. Циркуляция масла в ВРК «Schottel» обеспечивается во время работы колонки шнеком, напрессованным на верхнюю часть вертикального вала. При вращении шнек нагнетает смазочное масло в нижнюю часть колонки, откуда масло, по сверлению в вертикальном вале, поднимается в расширительный масляный бак. Смазка верхнего редуктора различных модификаций ВРК фирмы «Schottel» имеет отличия. На колонках, предназначенных для работы с высокооборотными ГД верхний редуктор смазывается погружением зубчатого зацепления в масляную ванну. На ВРК, предназначенных для работы со среднеоборотными ГД, на кормовом конце ведущего вала верхнего редуктора смонтирован масляный насос, который перекачивает смазочное масло из силового конуса в расширительный бак. Бак связан с корпусом верхнего редуктора переливной трубой, расположенной над зубчатым зацеплением. На некоторых модификациях ВРК фирмы «Schottel» устанавливаются холодильники - подогреватели смазочного масла. Масло от навешенного насоса проходит через холодильник и масляный фильтр, оборудованный датчиками перепада давления и наличия металла. Смазка зубчатых пар ВРК фирмы «Aquamaster» осуществляется окунанием, а подшипники смазываются с помощью навешенного масляного циркуляционного насоса, который по системе трубопроводов, расположенных внутри корпуса ВРК, подает масло к каждому из подшипников колонки. В состав системы включены также масляный фильтр и масляный холодильник. Привод смазочного насоса осуществляется от входного вала ВРК клиноременной передачей.
Сальники поворотной части ВРК «Schottel» представляют уплотнения манжетного типа большого диаметра. Пакет уплотнительных сальников на гребном валу (дейдвудные уплотнения) также манжетного типа. Сальники гребного вала закрыты защитным поясом. Более подробных сведений о конструкции уплотнений фирма «Schottel» не приводит.
Уплотнительные элементы подвижных частей ВРК «Aquamaster» представляют пакеты уплотнительных сальников типа «Chesterton» и вращающееся торцевое уплотнение типа «Deep Sea Seales». Для обеспечения качественной работы уплотнительных элементов к каждому из уплотнений подается масло из специальной гравитационной цистерны, расположенной выше ВРК в надстройке судна. Масло из цистерны создает подпор масла в торцевом уплотнении и в уплотнительных сальниках, как во время работы-ВРК, так и на стоянке.
Механизмы поворота ВРК «Schottel» и «Aquamaster» аналогичны и представляют собой зубчатый венец большого диаметра, установленный на поворотной части. Венец приводится во вращение гидромоторами, которые создают необходимый крутящий момент и установлены на опорной плите. Усилие, создаваемое механизмом поворота и гидросистемой, достаточно для обеспечения немедленной остановки судна при работе приводных двигателей на режиме полной мощности, т.е. поворота колонки из положения движения «вперед» в положение «назад» при полной скорости судна на полной мощности ГД. В случае отказа гидросистемы механизма поворота и в случае отсутствия других способов управления, поворот ВРК может быть произведен вручную из машинного отделения.
Внутренние валы изготавливаются из стали с высоким сопротивлением на разрыв. Для обеспечения прочности и долговечности валов шпоночные соединения не применяются. Все валы соединяются или фланцевыми соединениями с помощью болтов, либо с помощью горячей прессовой посадки на цилиндрический или конический вал. Преимуществами такого вида соединений являются более высокая прочность под воздействием динамической нагрузки и отсутствие изнашивающихся деталей. Способ принадлежит к философии проектирования, называемой «прогрессивной прочностью» [63, 64], т.е. к порядку выхода из строя элементов конструкции. ВРК и их элементы обеих фирм - производителей изготовлены на высоком техническом и технологическом уровне из высококачественных материалов.
Метод контроля технического состояния винторулевых колонок по вибрационным параметрам
Для контроля технического состояния СТС в эксплуатации «Руководство по техническому наблюдению за судами в эксплуатации» PC [14] рекомендует использовать следующие основные виды контроля: визуальный, параметрический, по продуктам износа (трибологический), вибрационный контроль.
Визуальный контроль технического состояния СТС предусмотрен инструкциями по эксплуатации и регулярно проводится экипажами судов. Осмотр механизмов и машин в работе позволяет выявить неисправности, однако возможности такого контроля ограничены и не позволяют объективно оценить состояние оборудования. Полную оценку технического состояния даёт визуальный контроль во время проведения ремонтов, связанных с разборкой механизмов и оборудования. Обмер и осмотр узлов и деталей СТС в процессе разборки позволяет получить полные и достоверные данные о состоянии механизмов. Недостатком этого вида контроля, в случае проведения разборки исправных механизмов и машин, являются материальные затраты, связанные с организацией и проведением ремонтов. Кроме того, в процессе ремонтов оборудования и механизмов, инструкциями по эксплуатации предусмотрена замена части вполне исправных деталей (подшипников, уплотнений, прокладок, крепежных изделий и т.д.), которые не выработали свои ресурсные сроки, что влечет за собой дополнительные расходы для судовладельца.
Параметрический контроль технического состояния СТС широко распространен на судах. Однако контроль параметров рабочего процесса возможен не для всех механизмов и машин. Большое количество СТС либо не оснащаются необходимыми приборами, либо процесс проведения измерений параметров рабочего процесса сложен и не обеспечен методической базой, а нормативные документы по оценке результатов измерений отсутствуют. Так, для ВРК параметрический контроль ограничен контролем температуры трансмиссионного смазочного масла, частотой вращения валопровода и гребного винта. Причем для контроля температуры на обследованных судах установлены только предельные датчики температуры, срабатывающие при превышении допустимой температуры (80С). Также следует учитывать, что режимы работы ГД буксирных судов меняются за короткое время в широком диапазоне от холостого до полного хода, при этом время работы на постоянном режиме непродолжительно. В связи с этим в условиях эксплуатации невозможно отследить тенденции в изменении температуры и установить какие-либо зависимости.
Трибологический контроль (контроль по продуктам износа) позволяет оценить техническое состояние СТС по результатам, полученным при проведении анализа смазочных масел и технологических жидкостей. При этом виде контроля возможно определение присутствия воды, твердых включений, наличия металла в масле и т.д. Недостатками данного метода контроля является его низкая оперативность и высокая стоимость. Так, на получение результатов анализа масла в зарубежной специализированной лаборатории группа компаний «Palmali» затрачивает от одного до трех месяцев, неся при этом существенные материальные затраты. Существующих отечественных химических лабораторий недостаточно, приборное обеспечение и его точность не отвечают современным требованиям, нормативные документы PC, регламентирующие проведение анализов масла и технических жидкостей, не отражают современного уровня развития техники. Проведение такого контроля требует создания специализированных лабораторий, оснащенных современным приборным и лабораторным оборудованием, привлечения квалифицированных специалистов, разработки соответствующих методов и методик для проведения анализов, оценки их результатов. Вибрационный контроль дает возможность зафиксировать начальное техническое состояние СТС по параметрам вибрации и контролировать изменение этих характеристик в процессе эксплуатации. Этот вид технического контроля позволяет обнаружить дефекты подвижных (вращающихся) элементов на этапе их зарождения и проследить за их развитием. На основе таких наблюдений (при условии их регулярности) возможно оценить состояние механического оборудования, составить прогноз изменения технического состояния на определенный период времени. К достоинствам вибрационного контроля относятся: - мобильность и относительно невысокая стоимость измерительных приборов; - высокая оперативность получения результатов измерений (общая оценка технического состояния может занять от 30 минут до 1 часа непосредственно на борту судна); - возможность определения места возникновения дефекта; - возможность определения дефекта на этапе его возникновения, когда другими методами этого сделать невозможно; - возможность наблюдения за развитием дефекта и недопущения достижения им критических значений и, как следствие, аварийного выхода механизма из строя; - возможность составления прогноза по изменению технического состояния на определенный период, что позволяет своевременно и качественно подготовиться к ремонту, сократить его сроки и стоимость; - возможность подбора, при ухудшении технического состояния СТС, таких режимов эксплуатации, которые позволят продлить время эксплуатации до очередного ремонта. - возможность проведения измерений не только на одном объекте, но и проведение обследования других СТС судна. Проанализировав особенности использования перечисленных методов контроля технического состояния применительно к ВРК, можно заключить, что: а) использование визуального контроля ограничено и не дает достаточной информации о состоянии ВРК в процессе эксплуатации. Осмотр и контроль элементов ВРК в доке требует дорогостоящих операций по постановке судна в док, частичной разборки, замены элементов и т.д.; б) использование параметрического контроля в силу особенностей конструкции и режимов работы ВРК также ограничено и не дает достаточной информации о техническом состоянии; в) использование трибологического контроля требует разработки соответствующих методик, создания лабораторий, оснащенных специальным оборудованием, привлечения специалистов. К недостаткам метода контроля следует отнести его низкую оперативность и невозможность ответа на вопрос, где и какой именно дефект имеет место.
Анализ результатов контроля вибрации элементов винторулевых колонок на характерных частотах
Таким образом, на буксирных судах с АПС с ВРК, имеющих в своем составе карданные валы, возникает периодическая осевая сила с частотой, кратной 2/ частоты вращения ведущего вала, которая обусловлена кинематическими особенностями карданного шарнира. Система «входной вал — разобщительная муфта - верхняя часть корпуса ВРК» фирмы «Schottel» (рис. 4.15) образуют консоль с плечом около 600 мм и массой около 350 кг. Такая конструкция не обладает достаточной жесткостью и при увеличении крутящего момента осевое усилие, возникающее в шлицевой муфте, приводит к увеличению вибрации верхней части ВРК. Осевое усилие находится в прямой зависимости от передаваемого крутящего момента ГД и, поскольку карданный вал установлен под углом к продольной горизонтальной оси судна, раскладывается на продольную (X) и вертикальную (Z) составляющие.
Подтверждением недостаточной жесткости верхней части ВРК служат результаты измерений на подшипниках №2, №3 валолинии, которые находятся за ГД и между которыми расположен аналогичный карданный вал (рис. 1.6). СКЗ уровней вибрации на этих подшипниках не превышают 5 мм/с на всех режимах работы ГД. В узкополосном спектре 2 гармоника от частоты вращения ведущего вала присутствует, но ее значение не превышает 2,5 мм/с и также проявляется в плоскости X-Z.
Таким образом основными причинами возникновения повышенной вибрации ВРК фирмы «Schottel» являются конструктивные решения, принятые при проектировании, без учета кинематических особенностей узлов, входящих в пропульсивный комплекс. Повышенные уровни вибрации наблюдаются на всех обследованных судах, независимо от мощности ГД, с карданными передачами в составе валолинии.
Так на буксире «Бравый» (табл.1 Л) с ВРК типа ВРК SRP1010, имеющем карданные валы, изменение уровней вибрации (рис. 3.3, 3.4) при изменении частоты вращения ГД не отличаются от характера изменения уровней вибрации ВРК буксиров типа «Рюрик». Такая же картина наблюдается и на буксирах типа «Удалой» (табл. 1.1). С другой стороны на транспортных судах (табл. 1.2) с ВРК SRP1010 и валопроводом без карданных валов (рис. 1.6), СКЗ уровней вибрации (рис. 3.7, 3.8) имеют очень низкие значения, а на частоте 2/щ уровни вибрации не превышают общего фона. На буксирах с ВРК US205 «Aquamaster» (табл. 1.2) и с ГД, аналогичном буксирам типа «Бравый», повышенных уровней вибрации не отмечено на всех эксплуатационных режимах работы (рис. 3.11, 3.12), 2 гармоника от частоты вращения не превышает 0.5 мм/с.
Высокие уровни вибрации верхней части ВРК приводят к преждевременному выходу из строя элементов и узлов ВРК, снижению ресурсных сроков эксплуатации из-за повышенных динамических нагрузок. В первую очередь, страдают от повышенной вибрации подшипниковые узлы ведущего вала ВРК и валопровода. По этой причине фирма-изготовитель SKF (Швеция) в инструкциях по эксплуатации указывает, что максимальный уровень вибрации в месте установки подшипниковых узлов не должен превышать 10 мм/с. Подшипники являются дорогостоящими элементами и их замена требует большого объема работ, связанных с разборкой верхнего редуктора и подшипниковых узлов валопровода. Такая работа может выполняться только квалифицированными специалистами на ремонтных предприятиях с современной производственно-технологической базой. Следует отметить, что в процессе разборки/сборки неизбежно нарушается, взаимное положение деталей, что неизбежно приводит к повышенным износам в процессе последующей приработки, что также отрицательно сказывается на ресурсе узлов и деталей ВРК.
Большие динамические нагрузки, вызываемые повышенной вибрацией, испытывает разобщительная муфта, в конструкции которой также используются подшипники. Кроме того в муфте возможно ослабление ее крепления на валу, обрыв или повреждение трубопроводов пневматической или гидравлической системы управления и, как следствие, внезапный отказ муфты, что грозит аварийной остановкой судна. Высокие уровни вибрации оказывают отрицательное влияние на надежность элементов карданного вала (крестовины, подшипники крестовин, посадочные места). По этой причине требуется частый и тщательный контроль технического состояния карданного вала и его элементов, что усложняет техническое обслуживание ВРК и валопровода, приводит к увеличению простоев судна. Наиболее серьезной неисправностью, которую может вызвать высокая вибрация, является ослабление или разрушение деталей крепления корпуса верхнего редуктора к фундаментной плите (болты, шпильки и т.д.) и даже усталостное разрушение опорного фланца верхней части ВРК.
Проведение регулярных контролей вибрационного состояния позволяют своевременно обнаружить возникающие неисправности, предупредить их развитие и, как следствие, аварийный выход ВРК из строя. В случае обнаружения таких неисправностей возможно не только установить причины возникновения неисправностей, но и предложить судовладельцам меры по обоснованному снижению нагрузок на оборудование с целью продления срока их эксплуатации для качественной подготовки ремонта судна.
Так при проведении регулярных вибрационных контролей ВРК SRP229/300 «Schottel» в порту Новороссийск были выявлены повышенные уровни вибрации верхнего редуктора левого борта (рис. 4.18, 4.19). Вывести судно из эксплуатации не представлялось возможным и по просьбе судовладельца были выполнены повторные измерения, которые подтвердили повышенные уровни вибрации редуктора. Осмотр зубчатого зацепления через технологические лючки показал, что зубчатое колесо редуктора имеет повышенный износ и сколы. На основе анализа результатов вибрационных измерений было рекомендовано уменьшить нагрузку на ГД до п = 85% от номинальной частоты вращения, что снизило уровни вибрации до приемлемых. Судно не пришлось выводить из эксплуатации до очередного планового ремонта, за это время судовладелец смог заказать необходимые запасные части и подготовится к ремонту.
Причины возникновения повышенной вибрации пропульсивных комплексов фирмы «Schottel»
Кроме рекомендаций по совершенствованию эксплуатации винторулевых комплексов были проработаны варианты конструктивных способов решения возникшей проблемы. Для решения предлагаются следующие пути. 1 путь. Изменение компоновочной схемы винторулевого комплекса С і целью спрямления валолинии и ликвидации карданных валов (АПС с ВРК фирмы «Aquamaster») или уменьшения углов между их осями. Уменьшение углов между осями валов снизит осевые усилия в шлицевых муфтах. В литературе [40, 41], посвященной проектированию трансмиссий для автомобильной техники, есть рекомендации, суть которых сводится к тому, что предельный угол между осями карданных валов не должен превышать 4. Этот путь требует проведения комплекса испытаний с целью определения оптимальных углов установки карданных валов и пересмотра всей компоновки АПС с ВРК и конструкции корпуса судна. Реализация этого предложения возможна на стадии проектирования судна. 2 путь. Одной из причин, приводящей к возникновению повышенных уровней вибрации верхней части ВРК, является недостаточная жесткость корпуса верхнего редуктора с консольно расположенной разобщительной муфтой значительной массы. Для придания большей жесткости конструкции необходима установка дополнительной опоры перед муфтой с целью придания конструкции большей жесткости. Такое решение даст возможность разгрузить верхнюю часть корпуса ВРК от динамических нагрузок, возникающих при вращении карданного вала (рис. 4.20). Реализация такого решения возможна после конструктивной проработки конструкции в месте установки ВРК и требует согласований с проектировщиками и PC РФ. Модернизация конструкции возможна во время ремонта судна. 3 путь. Основной причиной, вызывающей вибрацию ВРК, является применение карданных шарниров. Возникающие осевые усилия в них обусловлены кинематическими особенностями, приводящими к динамическим воздействиям на верхнюю часть ВРК. Устранить это явление возможно заменой карданов на шарнирные соединения других типов, в которых отсутствуют осевые усилия. В технике существует большое количество таких конструкций, например, шарниры равных угловых скоростей (ШРУС). Однако упоминаний в литературе о шарнирах такого типа для передачи мощностей выше 350 кВт не встречается, но для ВРК мощностью ГД до 300 кВт такое решение вполне обосновано. 4 путь. Причиной, вызывающей повышенную вибрацию, является появление осевого усилия в шлицевой муфте (шлицевом соединении) карданного вала. Одним из путей решения проблемы может служить замена шлицевой муфты на муфту другого типа, которая позволит устранить или компенсировать осевые усилия на любых режимах работы ВРК. Таких конструкций для передачи мощностей в широком диапазоне и обеспечивающих компенсацию осевых перемещений, предлагается в большом количестве. В период проведения международной выставки «Нева -2009» были проведены консультации с представителями ряда фирм, специализирующихся на проектировании и производстве таких муфт. Однако детальная проработка предложенных вариантов не проводилась. Основные результаты диссертационной работы На основании выполненного анализа условий эксплуатации, экспериментальных и расчетных исследований АПС с ВРК морских судов на основе разработанных Методик оценки технического состояния сделаны выводы и получены следующие практические результаты. 1. Произведен анализ конструкций современных АПС с ВРК различных изготовителей, рассмотрены применяемые технические решения, их достоинства и недостатки. 2. Собраны и систематизированы отказы и неисправности ранее построенных и современных АПС с ВРК. 3. Впервые разработаны, опробованы и внедрены «Методики контроля и оценки технического состояния винторулевых комплексов морских судов» на основе вибрационных методов контроля, которые согласованы и одобрены Главным Управлением Морского Регистра судоходства. Российской Федерации. 4. «Методики контроля и оценки технического состояния винторулевых комплексов морских судов» являются нормативной и организационно-технической документацией устанавливающей цели, виды, последовательность, объем, порядок, условия, место и сроки проведения контролей состояния винторулевых комплексов на судах, находящихся в эксплуатации и рекомендованы к использованию при контроле технического состояния с целью введения на судах с ВРК Системы контроля технического состояния, которая позволяет продлить сроки эксплуатации ВРК без их разборки для предъявления к освидетельствованию инспекторами PC РФ до 10 — 12.5 лет. 5. Контроль вибрации винторулевых комплексов судов, находящихся в эксплуатации и последующий анализ виброакустических характеристик позволил своевременно выявить неисправность зубчатого колеса верхнего редуктора и рекомендовать режимы работы главного двигателя, позволившие эксплуатировать судно до проведения очередного ремонта. Полученные результаты периодических контролей и их анализ позволил установить причины повышенной вибрации ВРК с карданными валами фирмы «Schottel» и предложить рекомендации по ограничению режимов работы главного двигателя для снижения вибрации. 6. Анализ кинематических схем, конструкций и результатов проведенных измерений позволил предложить различные технические решения по совершенствованию конструкции АПС с ВРК, как на стадии проектирования, так и на построенных и находящихся в эксплуатации судах. Общим итогом выполненной работы является разработка и внедрение впервые разработанных «Методик контроля и оценки технического состояния винторулевых комплексов морских судов», применение современных методов контроля и оценки состояния технических средств, средств измерений, позволивших создать эффективный метод контроля технического состояния на основании вибрационных измерений. Он позволяет оценить техническое состояние ВРК и его элементов, дать оценку их состояния, своевременно и оперативно определить возникающие неисправности, своевременно предпринять меры по их устранению или локализации, что снижает риск аварийного выхода винторулевого комплекса строя, тем самым повысить безопасность мореплавания.
