Введение к работе
Актуальность темы. Условия арктического региона плавания требуют от движительной системы корабля особой прочности ввиду возможности непосредственного взаимодействия движителя со льдом, достигающим в ряде случаев 3 метровой толщины. Этим требованиям сегодня в наибольшей степени соответствуют сборные гребные винты, изготавливаемые из нержавеющих высокопрочных сталей марок 08Х14НДЛ и 06Х15Н4ДМЛ. В современной конструкции таких винтов используются лопасти с неплоским фланцевым соединением, вместо плоских (рисунки 1 и 2).
Рисунок 1- Винт с неплоским фланцевым Рисунок 2- Винт с плоским фланцевым
соединением соединением
Такое конструктивное решение и особенности материала, из которого изготавливаются данные винты, породили ряд проблем, без решения которых невозможно говорить об их производстве с обеспечением требований необходимой надежности. В частности, классические методы расчета плоских фланцевых соединений, в разработку которых значительный вклад внесли А.М. Басин, В.Ф. Кацман, Г.М. Кудреватый и другие ученые оказались неприемлемыми в случае выполнения оценки резьбовых соединений лопасти со ступицей с неплоским фланцем. Теоретические положения, связанные с технологией сборки фланцевых соединений, разработанные И.А. Биргером, Б.Ф. Шорром, Р.М. Шнейдеровичем, М.Л. Гельфандом и другими учеными не рассматривали особенности сборки крупногабаритных соединений, в которых массогабаритные показатели и свойства материала вносят существенные поправки в технологию сборки, поэтому нуждаются в существенной доработке. Кроме того, современная практика показала, что в процессе изготовления фланцевое соединение лопастей в виде цилиндрического сектора дополнительно требует повышенной точности расточки отверстий, так как отверстия в ступице и ответные отверстия в лопасти выполняются раздельно. В результате возникающие неточности приводят к возникновению дополнительного изгибающего момента при затяжке болтов, порождающего эффект схватывания. Серьезные проблемы проявляются и при затяжке болтов из нержавеющей стали, вследствие их склонности к закусыванию и схватыванию на контактных и резьбовых поверхностях. Последнее резко снижает стабильность затяжки резьбовых соединений и значительно
усложняет технологию их выполнения. Известные исследования ученых А.С. Иванова, И.А. Биргера, Д.Н. Решетова, Г.Б. Иосилевича выполнялись применительно к резьбовым соединениям диаметрами М8…М16, поэтому нуждаются в серьезном развитии. Для снижения эффекта закусывания в настоящее время используются различные антизадирные смазки на основе меди или диоксида молибдена. Однако они не работают при приближении к окончательным усилиям затяжки 0,5…0,6т. Поэтому поиск ответов на все вопросы, связанные с совершенствованием технологии изготовления сборных гребных винтов из нержавеющей стали с цилиндрическими фланцевыми соединениями, является актуальной комплексной задачей современной технологии изготовления сборных гребных винтов.
Целью данной работы является совершенствование технологии сборки крупногабаритных составных гребных винтов из нержавеющих сталей, обеспечивающей исключение причин отказов в процессе сборки связанных с закусыванием контактных поверхностей винтовых соединений ступицы и лопасти.
Достижение поставленной цели выполнено на основе комплексного исследования существующих особенностей производства таких винтов.
Объектом исследования в работе являются гребные сборные винты из нержавеющей стали имеющие значительные массогабаритные характеристики.
Предметом исследования в работе были технологические процессы формирования соединений сборных гребных винтов, изготовленных из высокопрочных нержавеющих сталей и металлические покрытия для контактных поверхностей, предполагаемые к использованию в качестве твердо-пластичной смазки при сборке гребных винтов.
Методы исследования базировались на использовании конечно-элементного моделирования контактных воздействий при сборке гребных винтов и экспериментальных испытаний.
На основе результатов выполненных исследований в работе решены следующие задачи:
Установлены зависимости усилия затяжки от типа металла покрытия и склонности такого покрытия к явлениям поверхностного задира и закусывания;
Разработана технология, обеспечивающая гарантированную стабильность процесса затяжки при сборке гребного винта, исключающая появление задиров и закусывания для нержавеющих сталей при предельных усилиях затяжки на базе результатов исследований физико-механических свойств металлических покрытий;
Разработан метод расчета неплоских фланцевых соединений гребных винтов отличный от существующего метода расчета плоских соединений;
Установлена взаимосвязь параметров резьбовых соединений с возникновением эффекта схватывания;
Разработаны конструктивные и технологические методы и инструменты, повышающие качество сборки высоконагруженных резьбовых соединений гребных винтов за счет исключения изгибающего момента в резьбе при затяжке.
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
новый метод расчета усилия затяжки для неплоского фланцевого соединения (в отличие от плоского соединения), исключающий появление за-диров и закусывания в резьбе;
новая технология сборки высоконагруженных фланцевых соединений гребных винтов, использующая металлические покрытия в качестве твердо-пластичной смазки при высоких контактных давлениях, обеспечивающая стабильность процесса сборки;
новые технологические и конструктивные методы и инструменты для сборки гребных винтов, обеспечивающие стабильность процесса сборки и затяжки за счет исключения изгибающего момента при затяжке без уменьшения усилия затяжки и надежности соединения.
Научная новизна работы.
Впервые установлены закономерности между величиной усилия, типом покрытия и возникновением явления схватывания, приводящего к дестабилизации процесса затяжки фиксирующих болтов при сборке гребных винтов;
Разработана новая методика расчета усилия затяжки, позволяющая определить силу воздействия на каждый крепежный элемент группового неплоского фланцевого соединения методом конечно-элементного моделирования с целью исключения схватывания при затяжке;
Впервые определены коэффициенты трения для покрытий, нанесенных методом холодного газодинамического напыления на нержавеющий материал с высокими прочностными свойствами;
Установлено влияние конструктивных особенностей на качественные параметры резьбы повышающих стабильность процесса затяжки резьбовых соединений за счет исключения задиров и схватывания в резьбе.
Теоретическая значимость работы заключается в установлении связи между стабильностью процесса сборки гребных винтов и параметрами взаимодействующих поверхностей, технологией изготовления гребных винтов; установлении метода оценки распределения усилий на каждый элемент соединения в неплоском фланцевом соединении с помощью средств конечно-элементного анализа; разработке математических моделей, позволивших оценить влияние конструктивных параметров соединения на распределение нагрузок на контактных поверхностях.
Практическая ценность работы.
Значения коэффициентов трения для металлических покрытий, наносимых на нержавеющую основу методом ХГДН;
Конструкция высоконагруженного соединения (Пат. 2568172 РФ: МПК F16B 5/02), исключающая воздействие изгибающего момента при затяжке соединения, инструмент и технология сборки гребного винта, позволяющие выполнить затяжку с усилием 240 тс ручным немеханизированным инструментом (Пат. 143563 РФ: МПК В25В 21/00) в том числе в особых условиях - под водой;
Конструкция и технология сборки высоконагруженного термозатягиваемого соединения, исключающая воздействие изгибающего момента на затяжку;
Конструкция, технология изготовления и сборки соединения с использованием домкратных болтов, исключающая воздействие изгибающего момента на затяжку (Пат. 2501988 РФ: МПК F16B 5/02);
Метод расчета группового неплоского фланцевого соединения;
Технология затяжки высоконагруженных резьбовых соединений гребных винтов из нержавеющих сталей, обеспечивающая стабильность процесса затяжки за счет исключения задиров и схватывания, повышающая качество сборки гребного винта.
Достоверность теоретических и экспериментальных результатов исследований, проведенных соискателем, обеспечивается сертифицированным программным обеспечением, реализующим метод конечно-элементного анализа, применяемого для определения величины нагрузок на элементы резьбового соединения; использованием сертифицированного измерительного оборудования, прошедшего в установленном порядке поверку при замерах коэффициента трения, а также результатами статистической обработки экспериментальных данных; непротиворечивостью полученных результатов и согласованием полученных теоретических результатов с данными экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международных, Всероссийских и региональных научно-технических и научно-практических конференциях:
Научно-техническая конференция «Взгляд в будущее-2013», ОАО ЦКБ «Рубин», 29-30 мая 2013 г., г. Санкт-Петербург;
VI международная научно-практическая конференция «Инженерные системы-2013», ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов», 2 апреля 2013 г., г. Москва;
- Научно-техническая конференция «Развитие Северо-Арктического региона:
проблемы и решения», ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный
университет», 26-28 марта 2013 г., г. Архангельск;
Всероссийская молодежная научно-практическая конференция с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего», ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет», 14-16 ноября 2013 г., г. Екатеринбург;
Научно-практическая конференция Севмашвтуза в рамках XLII Ломоносовских чтений, ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет», Институт судостроения и морской арктической техники (Севмашвтуз), 21 ноября 2013 г., г. Северодвинск;
- Международная конференция «Современные техника и технологии», ФГБОУ
ВПО «Национальный исследовательский томский политехнический универси
тет», 14-18 апреля 2014 г., г. Томск;
VII Международный Евразийский Симпозиум по проблемам надежности материалов и машин для регионов холодного климата, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет имени Петра Великого», 1-3 декабря 2014 г., г. Санкт-Петербург;
Шестая Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы морской энергетики» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет», 16-17 февраля 2017 г., г. Санкт-Петербург.
Реализация работы. Работа выполнялась в ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова» на базе Института судостроения и морской арктической техники (Севмашвтуз) при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Постановления Правительства РФ от 9 апреля 2010 года №218 в рамках НИОКР «Освоение высокотехнологичного производства наукоемкой продукции – отечественных импортозамещающих движительно-рулевых колонок и их компонентов для судов ледового класса» и при поддержке Министерства промышленности и торговли Российской Федерации в рамках ФЦП «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы». Результаты работы в виде методики, рабочей конструкторской документации (РКД), технологической документации (ТД) и опытных образцов подтверждены актами испытаний опытных образцов, присвоением РКД литеры «О» и актами одобрения классификационными обществами. Результаты работы используются на предприятии ОАО «ЦС «Звездочка» и применены в проекте пропульсивной системы для атомного ледокола ЛК60. Результаты данной работы могут использоваться в различных отраслях тяжелого машиностроения, судостроения, судоремонта, станкостроения, атомной промышленности.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 17 научных работ, включая 6 публикаций в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 5 публикаций в журналах и научных сборниках, 1 публикация в зарубежных научных сборниках. Получено 5 патентов на изобретение (№2501988; №256872; №2488720; №143563; №160182).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, общих выводов, списка литературы. Общий объем диссертации 162 страницы, в том числе 60 рисунков,13 таблиц и 1 приложение.