Введение к работе
Актуальность исследования. Развитие судостроения является одной из стратегических задач перспективного развития нашей страны. Государственная программа Российской Федерации «Развитие судостроения и техники для освоения шельфовых месторождений на 2013–2030 годы» определяет создание опережающего научно-технического задела и технологий, необходимых для создания перспективной морской и речной техники. Одной из основ этой программы является совершенствование судовых энергетических установок (СЭУ).
Практика эксплуатации судов показывает, что случаи поломок элементов валопровода составляют немалую часть от общего числа аварий судов, приводящих к существенным экономическим потерям. Причиной поломок часто становится снижение циклической прочности, вызванной поперечными колебаниями валопровода.
Мировые классификационные общества предъявляют особые требования к расчету собственной частоты поперечных колебаний валопровода. Целью такого расчета является обеспечение удовлетворительных характеристик поперечных колебаний во всем диапазоне рабочих частот вращения валопровода. Работа вало-провода в режиме резонанса поперечных колебаний представляет опасность для судна и является недопустимой.
Большинство современных методик расчета собственной частоты поперечных колебаний сводится к определению частот многопролетной балки постоянного сечения с большой сосредоточенной массой на гибкой консоли, лежащей на жестких точечных опорах. Такое представление судового валопровода является довольно приближенным и имеет ряд недостатков при составлении расчетной схемы, например, не учитываются упругие свойства и длина дейдвудных подшипников, не учтен упругий изгиб гребного вала под действием собственного веса и веса гребного винта при износе дейдвудного подшипника, не учтена также неоднородность распределения коэффициента жесткости и модуля продольной упругости материала, которая может проявляться даже при небольшом износе дейдвудного подшипника. Расчетные схемы являются плоскими и статическими, не учитывающими частоту вращения вала и связанные с ней динамические характеристики. Согласно таким расчетным схемам, результат расчета собственной частоты валопровода может существенно отличаться от истинной частоты свободных поперечных колебаний системы. Повышение точности такого расчета является основой повышения надежности судового валопровода и сокращения затрат на техническое облуживание и ремонт.
Техническое использование СЭУ с увеличенной агрегатной мощностью, механической и тепловой нагруженностью, а также повышенной частотой вращения валов определяет важность задачи обеспечения надежности судового вало-провода современных и проектируемых судов путем совершенствования методики расчета поперечных колебаний, позволяющей учитывать изгиб вала и механику его контактного взаимодействия с подшипником с учетом неоднородности распределения зазора и модуля упругости материала.
Степень разработанность темы. Вопросам совершенствования методик расчета параметров колебаний для повышения надежности судового валопровода посвящен целый ряд исследований российских и зарубежных ученых, среди кото-
рых следует отметить работы Абрамовича Б.Г., Диментберга Ф.М., Банах Л.Я., Лубенко В.Н., Мамонтова В.А., Меркулова В.А., Комарова В.В., Гаращенко П.А., Балацкого Л.Т., Вязового Ю.А., Рейнберга Е.С., Кельзона А.С., Мурамовича В.Г., Миронова А.И., Румба В.К., Carta G., Babilio Е. (Италия), Bakys В., Mikolainis J. (Литва), Besnier F. (Польша), Franklin J. (США), Han Q., Chu F., Huang Q., Liu Z., Li W., Ouyang H. (Китай), Islam M., Akinturk A., Veitch В. (Канада), Jeffcott H.H. (Англия), estan А. (Хорватия) и др.
Объект исследования - судовой валопровод.
Предмет исследования - поперечные колебания валопровода.
Цель диссертационной работы - повышение надежности судовой энергетической установки на основе совершенствования расчета поперечных колебаний валопровода для обеспечения эффективности технической эксплуатации судна.
В соответствии с целью были поставлены задачи исследования:
-
Установить закономерности возникновения поперечных колебаний судового валопровода, выявить факторы отказов валопроводов и поломок гребных валов.
-
Выполнить анализ существующих методов расчета поперечных колебаний валопроводов судов.
-
Создать математическую модель колебаний гребного вала с учетом различных факторов.
-
Разработать методику определения коэффициента жесткости материала дейдвудных подшипников.
-
Спроектировать и изготовить экспериментальную установку и провести экспериментальные и теоретические исследования.
-
Провести натурные испытания для установления закономерностей возникновения резонанса на судах.
-
Разработать методику типового расчета собственной частоты поперечных колебаний судового валопровода.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
предложены методика и математическая модель для расчета собственной частоты поперечных колебаний с учетом механики контактного взаимодействия гребного вала и дейдвудных подшипников;
экспериментально установлены зависимости влияния упругости материала и зазора в дейдвудном подшипнике на частоту и амплитуду поперечных колебаний;
разработана методика определения коэффициента жесткости подшипника с учетом неоднородности распределения модуля упругости материала и зазора.
Теоретическая значимость работы. Предложенная методика вычисления критических частот вращения вала может применяться для расчета различных систем «вал - подшипник скольжения». Полученные результаты позволяют глубже изучить поперечные колебания гребного вала и являются основой для повышения его надежности.
Практическая значимость работы. Диссертационная работа направлена на повышение надежности судового валопровода и может использоваться при его проектировании. Результаты работы использованы при расчетах поперечных ко-
лебаний валопроводов судов пр. ВКМ-3, пр. Н-3291 тип «ОТ-2400», пр. 1577 тип «Волгонефть», пр. 70270 тип «ТСЖ-300» и пр. 621 тип «Ленанефть».
Результаты работы внедрены в производственный процесс проектирования судовых валопроводов ООО «Каспийское инженерное бюро» и в учебный процесс ФГБОУ ВО «АГТУ».
Методология и методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. В теоретических исследованиях использованы аналитические и численно-аналитические методы решения дифференциальных уравнений; в экспериментальных исследованиях использованы методы планирования эксперимента, методы динамического тензометрирования, математической вариационной статистики и программно-аппаратный комплекс «Astech Electronics». Для сравнительной оценки предложенной в работе методики расчета собственной частоты поперечных колебаний валопроводов судов были произведены расчеты согласно распространенным в современной практике методам Шиманского Ю.А. и РД 5.4307-79. Эксперименты выполнены в лаборатории судового валопровода ФГБОУ ВО «АГТУ» и в ОАО «Волго-Каспийский судоремонтный завод».
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика расчета собственной частоты поперечных колебаний гребного вала с учетом метода закрепления, упругого изгиба и неоднородности распределения жесткости материала подшипника. Методика включает решение контактной задачи для учта зазора между гребным валом и дейдвудным подшипником и потерю контакта между ними - отрыв.
-
Результаты исследования влияния зазора на частоту и амплитуду поперечных колебаний судового валопровода.
-
Результаты натурных испытаний валопровода для экспериментальной проверки предложенной методики расчета собственной частоты поперечных колебаний.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов подтверждается наличием теоретических доказательств, экспериментальной верификацией математической модели, применением методов статистической обработки результатов экспериментальных исследований, патентом и положительным результатом практического использования результатов работы.
Апробация работы. Основное содержание исследований докладывалось и обсуждалось на заседаниях кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники», на заседаниях Учного совета института морских технологий, энергетики и транспорта ФГБОУ ВО «АГТУ»; на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВО «АГТУ» (2015-2018 г.); XXIII Международной научно-практической конференции «Примеры фундаментальных и прикладных исследований» (г. Новосибирск, 12-13 февраля 2016 г.); на семинаре секции строительной механики и надежности конструкций им. Н.К. Снитко (РАН, г. Санкт-Петербург, 13 апреля 2016 г.); на международной конференции «Геометрические методы в теории управления и математической физике» (г. Рязань, 15-18 сентября 2016 г.); на VII Международной научно-практической конференции «Проблемы теории и практики современной науки» (г. Таганрог, 19 сентября 2016 г.); на VI Международной научно-практической конференции «Инновационные подходы в
развитии транспортно-логистической системы Прикаспийского региона» (г. Астрахань, 31 мая–1 июня 2017 г.); IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (г. Хабаровск, 10–13 апреля 2017 г.); 13th International Saint Petersburg Conference of Young Scientists: Modern problems of polymer science (г. Санкт-Петербург, 13–16 ноября 2017 г.); на региональной научно-практической конференции «Актуальные вопросы проектирования, постройки и эксплуатации морских судов и сооружений» (г. Севастополь, 15–16 ноября 2017г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 25 научных публикациях, среди которых: 9 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации, 15 публикаций в сборниках международных и всероссийских научных конференций. Получен 1 патент на полезную модель.
Личный вклад автора. Автором произведена постановка научно-исследовательских задач, их решение, получены основные выводы диссертации.
Доля авторского участия в работах, опубликованных в соавторстве, составляет: [3, 4, 5, 7, 9, 16, 17] – 90%; [2, 8, 11, 12, 13, 14] – 75%; [10, 19, 21, 22, 24] – 70%; [1, 6, 20, 23, 25] – 50%.
При проведении отдельных экспериментальных исследований помощь оказали сотрудники кафедр «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» и «Эксплуатация водного транспорта» ФГБОУ ВО «АГТУ», за что автор выражает им признательность.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырх разделов, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 195 страниц, включая 106 рисунков, 21 таблицу и 6 приложений. Список литературы содержит 130 наименований.
Содержание диссертации соответствует пунктам 2.4 и 2.5 паспорта научной специальности 05.08.05 Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные).