Введение к работе
Опыт эксплуатации конструкций различного назначения, в том числе морских и речных судов, показывает, что их надежность в эксплуатации в существенной степени зависит от прочности и долговечности конструктивных элементов. Известно, что подавляющее большинство конструктивных элементов при эксплуатации воспринимают переменные во времени нагрузки, которые являются основным условием возникновения и развития усталостного разрушения. Это в полной степени относится к судовым гребным валам, тем более что в этом случае процесс усталостного разрушения происходит при одновременном воздействии на вал поверхностно-активной среды -морской или пресной воды. Выявленные причины повреждений гребных валов показывают, что большая часть повреждений (более 60% случаев) явились следствием усталости и коррозионной усталости гребных валов.
Существующая тенденция к увеличению мощности энергетических установок, применяемых на транспортных судах, повышает риск усталостных разрушений пропульсивного комплекса судна и гребного вала, в частности. Восстановление, ремонт и замена этих элементов, особенно подводной части судна, производят только после вывода судна из эксплуатации. Поэтому вопросы прогнозирования технического состояния таких элементов играют важную роль в процессе эксплуатации судна и снижении непроизводственных затрат судовладельца, связанных с простоем судна.
В настоящее время известны методики, прогнозирования роста усталостных макротрещин. В тоже время, процесс зарождения и распространения малых усталостных трещин освещен в литературе недостаточно полно, несмотря на то, что именно на эту стадию приходится значительная доля полной долговечности конструктивных элементов. Прогнозирование процессов зарождения и развития малых трещин важно еще и потому, что трещина на этой стадии имеет размеры порядка нескольких зерен микроструктуры материала и находится на грани возможности обнаружения методами промышленной дефектоскопии, что не позволяет контролировать процесс ее роста при эксплуатации судна.
Актуальность работы определяется необходимостью количественной оценки длительности начальной стадии процесса усталостного разрушения гребных валов и установления критических размеров трещинооб-разных дефектов.
Объектом исследования являются судовые гребные валы.
Предметом исследований является кинетика малых усталостных трещин.
Целью работы является создание методики прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
Провести анализ существующих критериев усталостной прочности, применяемых к начальной стадии усталостного разрушения.
Опытным путем установить закономерности кинетики малых трещин в конструкционном материале судового гребного вала при испытании образцов на воздухе и в морской воде.
Создать феноменологическую и математическую модели, описывающие рост малых усталостных трещин в поликристаллическом материале.
Разработать методику прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов, позволяющую решать различные прикладные задачи, связанные с их эксплуатацией.
Методы исследования. Основные теоретические и экспериментальные результаты, представленные в диссертации, получены с помощью математического аппарата механики деформированного твердого тела, в том числе численных методов, и проведении лабораторных испытаний образцов на испытательных машинах, включая эксперименты на вновь разработанной установке.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
Кинетические закономерности роста малой усталостной трещины в стали 35 на воздухе и в морской воде.
Феноменологическая и математическая модели начальной стадии усталостного разрушения конструкционных поликристаллических материалов.
Методика прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов.
Новизна первого научного результата заключается в установлении существенных отличительных особенностей кинетики малой трещины от кинетики макротрещины и количественном определении границы перехода малой трещины в макротрещину.
Новизна второго научного результата заключается в формулировании основных закономерностей кинетики роста малой трещины, составляющих основу предложенной феноменологической модели.
Новизна третьего научного результата состоит в разработке новой расчетной методики прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судового гребного вала.
Достоверность научных результатов обеспечивается использованием испытательного и измерительного оборудования, прошедшего соответствующие поверки, и использованием в проведении эксперимента методик в соответствии с действующими нормативными документами. Результаты рас-
четов, выполненные с помощью предлагаемой методики прогнозирования продолжительности начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов, находятся в удовлетворительном соответствии с данными лабораторных испытаний и с фактическими данными наработки гребных валов.
Практическая ценность работы. Материалы работы были использованы на трех предприятиях, осуществляющих эксплуатацию морских судов в Азово-Черноморском бассейне, при решении задач, связанных с ремонтом и эксплуатацией судовых гребных валов. В частности для определения рабочего ресурса гребного вала при планировании мероприятий по его ремонту и замене, а так же для определения наиболее опасных зон на поверхности вала.
Разработанная методика прогнозирования может быть использована проектными и судоремонтными организациями для оценки прочности и ресурса гребных валов судов или других конструктивных элементов, выполненных из исследуемого материала.
Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на: трех академических научно-практических конференциях; трех городских научно-практических конференциях; трех региональных научно-технических конференциях; одной всероссийской научной конференции; трех международных научно-практических конференциях.
Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в 18 научных трудах, из них 2 статьи по перечню ВАК Минобрнауки РФ, имеется 3 акта внедрения судоходными компаниями (ООО «ЮгБункерСервис-Кавказ», 000 «Альфамарин», 000 «Балт-Марин») и 1 акт внедрения судоремонтным предприятием (ОАО «Новороссийский судоремонтный завод»).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 8 приложений, списка использованной литературы, включающего 104 наименования. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 64 иллюстрации и 21 таблицу.
