Введение к работе
Актуальность работы. Проблема повышения эффективности работы транспорта, в том числе и водного является актуальной.
Эффективность работы судов зависит от надежности функционирования устройств, систем, энергетических установок. Важным устройством является валопровод. С увеличением водоизмещения, скорости хода судов, мощности энергетических установок возрастают нагрузки на валопроводы, что приводит к увеличению их размеров. С увеличением размеров повышается жесткость валопроводов и возрастают требования по качеству их монтажа и главной его составляющей - центровки. Валопровод при монтаже и в процессе эксплуатации и, в основном, за счет износа подшипников и вала получает различные радиальные смещения опор, что изменяет его напряженное состояние. В условиях традиционного способа монтажа при жестком креплении подшипников к фундаменту указанные изменения проявляются все в большей степени с ростом размеров валопровода. Это приводит к тому, что при эксплуатации и, в основном, из-за износа подшипников параметры центровки, реализованные при монтаже с учетом норм, быстро выходят за допускаемые пределы и вало-провод оказывается в предельном состоянии. В целом, работоспособность валопроводов при жестком креплении подшипников к фундаменту оказывается незначительной и возникает необходимость производить после некоторой наработки повторную центровку, что повышает трудоемкость работ и стоимость их выполнения,
В этой связи задача повышения работоспособности валопроводов является актуальной. Актуальными являются и задачи по обеспечению центровки валопроводов в направлении достоверного и безразборного контроля ее параметров и сокращения трудоемкости осуществления.
Цель и задачи работы- Целью диссертационной работы является повышение продолжительности сохранения при эксплуатации работоспособного состояния судовых валопроводов за счет придания им при монтаже оптимальных величин технологических параметров центровки и применения новой технологии центровки, основанной на использовании упругих компенсационных устройств в системе валопроводов. Предусматривается: развить научные основы центровки судовых валопроводов с определением оптимальных величин ее параметров и в комплексе решить вопросы по ее расчетной подготовке, реализации, стабилизации и безразборному контролю ее параметров в направлении повышения работоспособности валопроводов и сокращения трудо 4 емкости ее проведения; разработать основные направления в конструировании валопроводов и в реализации их центровки, обеспечивающие повышение работоспособности валопроводов Задачи, сформулированные для решения поставленной цели:
- разработка универсальной полноразмерной математической модели для автоматизированного расчета параметров центровки валопроводов с учетом различных конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов в том числе возможного крепления подшипников на специальные упругие компенсационные опоры - стабилизаторы реакций;
- разработка теоретических основ метода оптимизации параметров центровки с определением напряженно-деформированного состояния валопроводов и их прогнозируемого технического ресурса в условиях износа подшипников и валопровода;
- исследование повышения работоспособности валопроводов при жестком креплении подшипников к фундаменту;
- разработка методических основ применения упругих компенсационных опор - стабилизаторов реакций подшипников в системе судовых валопроводов и предложений по их конструкции и способу установки;
- исследование повышения работоспособности валопроводов при монтаже подшипника на упругие компенсационные опоры;
- определение на основе метода оптимизации повышения работоспособности валопроводов при регулировании их основных конструктивных пара-метров и параметров центровки;
- разработка методов определения положения многоопорных стержней и их применение для контроля параметров центровки валопроводов без их раз-борки;
- обобщение результатов исследований в направлении разработки инженерного экспресс-метода определения основных параметров центровки валопроводов по табличным данным.
Концепция работы состоит в разработке высокоэффективных методов и средств повышения работоспособности валопроводов судов различных типов и назначений по сохранению основных параметров центровки на допускаемом уровне их изменения в процессе эксплуатации при сопутствующей разработке рациональных методов надлежащей реализации и достоверного безразборного контроля этих параметров при центровке.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту. 1. Универсальные математические модели для автоматизированного расчета многоопорных стержней, выбор и применение модели к основному расчету параметров центровки валопроводов и расчету общего изгиба корпуса судна.
2. Метод оптимизации параметров центровки валопроводов по двум критериям - напряженному состоянию и прогнозируемому техническому ресурсу, разработанный с целью повышения работоспособности валопроводов.
3. Повышение работоспособности валопроводов методом стабилизации параметров центровки с использованием упругих компенсационных опор.
4. Основные направления в конструировании валопроводов и предложения по их центровке, выявленные методом оптимизации и обеспечивающие повышение работоспособное™ валопроводов.
5. Методы определения положения многоопорных стержней с протяженными опорами и их применение для контроля параметров центровки валопроводов без их демонтажа.
6. Экспериментальный метод определения изгибных усилий в стержнях применительно к валопроводам при беэразборном определении их фактических положений и соответствующих величин параметров центровки и прогнозируемого технического ресурса.
7. Инженерный экспресс-метод определения основных параметров центровки валопроводов по табличным данным.
) Методы исследования. Теоретические исследования базируются на
известных методах математического анализа, на универсальных методах строительной механики корабля, которые в диссертации получили дальнейшее развитее и обобщение (уравнение 5-ти моментов, метод начальных параметров). Соискателем предложен и реализован в работе новый метод расчета многоопорных стержней, названный методом податливых опор, который оказался весьма эффективным не только в расчетах судовых валопроводов при жестком, упругом или смешанном креплении подшипников, но и в расчетах общего изгиба корпуса судна при изменении водоизмещения и при волнении моря. Для получения теоретических и практических решений широко использованы математическое моделирование, методы оптимизации, численные методы решения систем уравнений, численные эксперименты на ПЭВМ. При ис-пользовании метода активного многофакторного планирования экспериментов разработан инженерный экспресс-метод определения основных параметров центровки валопроводов по табличным данным. Соискателем предложен и реализован в работе численный метод решения системы алгебраических неравенств, позволяющий при автоматизированном расчете на ПЭВМ выявить номограмму допускаемых расцентровок валопровода. Предложен метод определения изгибных усилий в сечениях валопровода по результатам тензомет-рирования, что необходимо для безразборной оценке технического состояния валопровода. Важной особенностью этого метода является отсутствие ограничений на длину измерительной базы тензометра и база может быть принята достаточно большой, что повышает точность определения параметров центровки и прогнозируемого ресурса, соответствующих фактическому положению валопровода.
Научная новизна. Результаты исследований, представленные в диссертации, по совокупности можно квалифицировать как научно-обоснованные технические решения всего комплекса вопросов по центровке судовых вало-проводов - расчетная подготовка, реализация и контроль с целевой установкой на повышение работоспособности вапопроводов по сохранению параметров центровки на допускаемом уровне их изменения в процессе эксплуатации и с определением оптимальных критериев: напряженно-деформированного состояния валопровода и его прогнозируемого технического ресурса в условиях износа подшипников. По-существу, в работе получили дальнейшее развитие и логическую завершенность по полноте разработок научные основы центровки вапопроводов. Одновременно с этим внесен определенный научный вклад в строительную механику « расчет, оптимизацию и контроль положения многоопорных стержней. В результате получены следующие оригинальные решения.
1. Разработаны универсальные математические модели для статического расчета многоопорных стержней при полном учете многообразия присущих им конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов.
В итоге;
- уравнение 5-ти моментов приведено к универсальному виду;
- впервые предложен новый метод расчета, названный методом податливых опор, позволяющий при автоматизированном расчете на ПЭВМ составлять для заданного стержня уравнения для параметров центровки в функции радиальных смещений подшипников и нагрузки при любом способе крепления подшипников к фундаменту.
2. На основе метода податливых опор:
- разработана универсальная лолноразмерная математическая модель
для статического расчета различных вапопроводов при жестком, упругом или смешанном креплении подшипников, позволяющая определять все параметры центровки с контролем напряженно-деформированного состояния и прогнозируемого технического ресурса;
- предложены алгоритмы расчета общего изгиба корпуса судна при изменении водоизмещения и при волнении моря и установлено влияние деформаций от такого изгиба на параметры центровки валопровода.
3. Впервые разработан метод оптимизации параметров центровки вало-проводов по двум критериям, позволяющий определять их номинальное - с минимальной напряженностью - и оптимальное - с максимальной работоспособностью - монтажные положения.
4. Выявлено повышение работоспособности, что может быть достигнуто для валопроводов с жестким креплением подшипников к фундаменту и определены основные направления в конструировании валопроводов и в реализации их центровки, обеспечивающие повышение их работоспособности.
5. Разработаны основные требования к упругим компенсационным опорам - стабилизаторам параметров центровки и выявлен эффект, достигаемый такими опорами в повышении работоспособности валопроводов. Практическая значимость и реализация результатов. Разработанные математические модели для статического расчета многоопорных стержней применимы не только к расчету судовых валопроводов при жестком, упругом или смешанном креплении подшипников, но и к расчету общего изгиба корпуса судна, к расчету других стержневых конструкций строительной механики корабля. В сочетании с предложенными методами оптимизации и контроля они позволяют проектировщикам предъявлять и реализовывать обоснованные требования к параметрам создаваемых ими конструкций и разрабатываемых технологий монтажа, что представлено в диссертации при разработке основных направлений в конструировании валопроводов и в реализации их центровки. Показано, что при использовании предложенного метода оптимизации параметров центровки существенное повышение работоспособности валопроводов может быть достигнуто не только за счет применения упругих компенсационных опор - стабилизаторов реакций, но и за счет регулирования и компенсации износа вкладышей дейдвудных подшипников, регулирования гибкости валопровода и податливости фундамента, включения гибких валов разработанной конструкции (Патент № 1677385, Россия, 1989 г.) в систему валопровода. Принятая для расчетов математическая модель позволяет производить расчетную подготовку центровки валопроводов при ее реализации различны 8 ми способами с определением напряженно-деформированного состояния ва-лопровода и его прогнозируемого технического ресурса. Предложены способ центровки (А.С, СССР № 1081074, 1984 г.), устройство для автоцентрозки (А.С. СССР № 1082683, 1984 г.) и регулируемая прокладка подшипников вало-провода (А.С. СССР № 1232570, 1986 г.). Разработанные методы контроля параметров центровки вапопроводов позволяют определять по безразборной технологии и с учетом протяженности дейдвудных подшипников их фактические положения и соответствующие им параметры центровки, напряженно-деформированное состояние и прогнозируемый технический ресурс. Предложенный экспресс-метод расчета позволяет определять основные параметры центровки вапопроводов по табличным данным с достаточной для инженерных расчетов точностью.
Разработаны конструкции упругих компенсационных опор (А.С. СССР № 918182, 1979 г. Патенты, Россия, № 1203267, 1983 г. и № 1255783, 1983 г.) и способы их монтажа на судовых валопроводах (А.С, СССР № 1030259, 1982 г. Патент № 1123937, Россия, 1983 г.). Совместно с АО Типрорыбфлот" (Астрахань) опоры внедрены на 18 рыбопромысловых судах различных типов. Общий фактический экономический эффект от внедрения составил более 800 тыс. рублей (в ценах 1991 года).
На основе проведенных теоретических исследований и с учетом результатов производственных испытаний разработаны два нормативно-технических документа: руководящие технические материалы (РТМ) по расчету основных параметров центровки вапопроводов и технические условия (ТУ) на упругие компенсационные опоры. Документы приняты Регистром СССР и введены в действие приказом Минрыбхоза СССР в 1988 г.
Полученные в диссертации результаты использованы в исследовательских работах кафедр Судовые силовые установки", "Судостроение и судоремонт", "Сопротивление материалов Астраханского государственного технического университета (АГТУ), в диссертационной работе, подготовленной при консультации соискателя, в лекционных курсах, в дипломных проектах.
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных соискателем в период 1979 - 1999 г.г., доложены и обсуждены на 5-ом заседании общесудовой секции Координационного совета по технической эксплуатации флота рыбной промышленности (Астрахань, 1984 г ) на Всесоюзных на-учно-технических конференциях ВНТО им. акад. А.Н.Крылова "Проблемы совершенствования судоремонта и повышения ремонтопригодности судов" (Ле 9 нинград, 1985 п), "Проблемы повышения надежности судовых валопроводов" (Ленинград, 1988 г.), на экспозиции ВДНХ СССР "Ученые Поволжья - народному хозяйству" (Москва, 1989 гм соискатель нафажден серебряной медалью), на экспозиции ме едун а родной выставки "Инрыбпром - 90" (Ленинград, 1990 г.), на экспозициях и научно-технических симпозиумах международных выставок "Промышленное рыболовство - 93" (Санкт-Петербург, 1993 г.) и "Икрыбпром -95 (Санкт-Петербург, 1995 г.), на экспозициях зарубежной выставки научно-технических разработок АГТУ в Египте (г. Каир, 1996 г.), на 16-ой международной конференции "Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Метод граничных и конечных элементов (Санкт-Петербург, Дом ученых РАН, 1998 г.), на научно-технических конференциях НКИ (Николаев, 1979 г.), АО Типрорыбфлот", АТИРПиХ (АГТУ) в период с 1984 по 1999 Г.Г.
Публикации по работе. По материалам диссертационной работы опубликовано 48 работ, а том числе 18 - статьи в теоретических, научно-практических и отраслевых журналах, РТМ по расчету основных параметров центровки валопровода (в 2-х книгах), ТУ на упругие компенсационные опоры судоаых валопроводов, 9 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 10 тезисов докладов на Всесоюзных научно-технических и международных конференциях и симпозиумах международных выставок, 9 тезисов докладов на научных конференциях АГТУ.
Объем ys структура диссертации. Диссертационная работа содержит 267 страниц основного текста и 77 страниц приложений. Основной текст содержит 74 рисунка и включает введение, 7 глав с выводами, заключение и список использованной литературы из 173 наименований, в том числе 23 на иностранных языках.
