Конструктивно-технологические основы создания подшипников качения для судового валопровода с повышенными эксплуатационными характеристиками

Одним из важнейших направлений судостроения является повышение эффективности работоспособности судового валопровода. Судовой валопровод является важнейшим механизмом в эксплуатации судна и представляет собой сложную систему, от которой зависит живучесть судна или корабля. Он представляет собой промежуточное звено, соединяющее ГД с движителем. От эффективности работы судового валопровода зависит количество полезной подведенной мощности к гребному винту, а от подшипников валопровода зависит его надежность, эксплуатационная технологичность и эффективность работы всего судового движительного комплекса. Он состоит из системы валов — гребного, дейдвудного, промежуточного и упорного, соединяющих движитель с энергетической установкой, а также подшипников, на которые опираются валы.

С увеличением водоизмещения, скорости хода судов и мощности судовых энергетических установок возрастают нагрузки на валопроводы, что приводит к увеличению их размеров. С увеличением размеров валов повышается жесткость валопроводов и возрастают требования к его опорам. В процессе эксплуатации валопровод получает различные радиальные смещения опор, что изменяет его напряженное состояние и приводит к износу подшипников. Износ подшипников приводит к тому, что при эксплуатации параметры центровки, реализованные при монтаже с учетом норм, выходят за допускаемые пределы и валопровод оказывается в предельном состоянии со всеми вытекающими последствиями, вплоть до преждевременного выходя из строя гребных валов и дейдвудных подшипников.

Аварии, причиной которых являются движительные комплексы, связаны с повреждениями гребных и дейдвудных валов. Выход из строя валопроводов наносит ущерб, во много раз превышающий стоимость поврежденного или разрушенного вала. Возникают ремонтные расходы, включающие постановку судна в док, оплату дока, стоимость сменно-запасных частей и заменяемых валов, затраты на буксировку судна. Помимо этого, происходит потеря эксплуатационной прибыли за время вынужденного простоя судна. Необходимо также отметить, что при проведении ремонта валопровода возникают значительные сложности и большая потеря времени при разборке и последующей сборке всех элементов валопровода.

К основным параметрам центровки валопровода относятся нагрузки на подшипниках и нормальные напряжения в валах. Длительное сохранение их на допускаемом уровне в процессе эксплуатации является одним из основных направлений в проблеме повышения работоспособности валопроводов.

Большой вклад в решение этой проблемы внесли Ю. А. Шиманский, С. Ф. Абрамович, B.C. Кравченко, В. А. Меркулов, П. А. Гаращенко и др. В последние годы возросло число изобретений, направленных на повышение работоспособности валопроводов и дейдвудных устройств. Имеются перспективные предложения, однако, количественно оценить эффект от их I внедрения не представляется возможным.

При эксплуатации валопровод испытывает сложное напряженное состояние, вызываемое действием крутящего момента и осевой силы от упора гребного винта. Кроме того, на напряженное состояние валопровода оказывают серьезное влияние деформации корпуса судна, которые возникают от перераспределения сварочных напряжений и деформации, возникающие от переменных значений перевозимого груза и от волнения моря.

Указанные факторы свидетельствуют о том, что валопровод является сложной технической системой, которой предъявляются высокие требования в обеспечении надежной работы на всех эксплуатационных режимах. В тоже время изготовление валопровода и последующий монтаж на судне требует значительных материальных и трудовых затрат. Задача повышения работоспособности валопровода является актуальной, так как не удается увеличить технический ресурс валопровода и сократить влияние эксплуатационных условий на его работу.

Таким образом, проблема формирования высокотехнологичных и надежных конструктивно-технологичных решений, основой которых являются подшипники качения с повышенными эксплуатационными характеристиками, для повышения работоспособности валопровода, увеличения его технического ресурса и сокращения влияний эксплуатационных условий на его работу, является актуальной, особенно при постройке судов и кораблей на экспорт.

Концептуальная направленность работы состоит в разработке конструктивно-технологических основ подшипников качения, которые обеспечат повышенную надёжность, долговечность, безотказность работы, увеличение быстроходности, снижение шумности, вибрации и расхода смазочных материалов, уменьшение момента трения (трогания), возможность эксплуатации экстремальных условиях без подвода смазки, повышение коррозионной стойкости и легкость хода. Они могут использоваться на всех типах судов независимо от диаметра судового вала.

В работе не предусматривалось производить анализ вибрационных характеристик валопровода, поскольку эти исследования следует выполнять в виде отдельных этапов расчета. Поэтому оптимальное решение должно быть затем проверено по вибрационным характеристикам, чтобы быть приемлемым. Если окажется, что оптимальное решение неприемлемо по вибрационному критерию, то следует внести в решение корректировку, учитывая возможные ограничения, накладываемые вибрационными характеристиками.

В работе применены современные методы исследований. Теоретические исследования базируются на известных методах математического анализа, на универсальных методах строительной механики корабля (уравнение 3-х и 5-ти моментов, метод начальных параметров). Для получения теоретических и практических решений широко использованы математическое моделирование, методы оптимизации, численные методы решения систем уравнений, численные эксперименты.

Цель, которую поставил перед собой автор настоящей работы — повышение уровня работоспособности валопроводов и их эксплуатационной надежности путем разработки и внедрения научно-обоснованных конструктивно-технологических основ создания новых опорных подшипников.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

1. Математическая модель подшипника качения с полыми роликами, позволяющая произвести прочностную оценку конструкции и определить напряженно-деформированное состояние элементов.

2. Методика расчета конструктивно-технологических параметров подшипников качения для судового валопровода, позволяющая выбрать оптимально обоснованное решение.

3. Новая конструкция опорного подшипника качения судового валопровода с повышенными эксплуатационными характеристиками.

4. Результаты исследования долговечности подшипников с полыми роликами и установленный предел усталостной прочности.

5. Технология сборки и монтажа подшипников качения с полыми роликами на основе метода гидрораспора.

выводы.

1. Экспериментальные исследования показали, что ресурс подшипников качения с полыми роликами от 2 до 3 раз превышает ресурс традиционных подшипников судового валопровода, а несущая способность выше, что подтверждает результаты теоретических исследований, положенные в основу разработки.

2. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что характерными точками, ответственные за разрушения, являются точки на внутреннем контуре роликов. Формируя площадку контакта таким образом, чтобы при той же внешней нагрузке получить более низкую величину контактного давления, можно существенно повысить динамическую и статистическую грузоподъемность подшипника.

3. Построенная номограмма и данные полученные в расчете могут быть рекомендованы при создании новых методик расчета подшипников качения с полыми роликами для оценки контактной прочности.

4. Проведенный в А№У8 конечно-элементный анализ позволил смоделировать условия нагружения подшипников, работающих в нестандартных условиях, и провести сопоставление рассчитанных параметров с целью выбора лучшего варианта при проектировании подшипника.

5. Определено, что усталостная прочность полых роликов обеспечивает ресурс опоры судового валопровода на весь срок эксплуатации судна, не предполагая промежуточного ремонта подшипников.

6. Экспериментальные исследования позволили установить особенности и отработать выполнение конструктивных и технологических операций сборки подшипников качения с полыми роликами судового валопровода.

7. Расчет и экспериментальные данные показали высокую эффективность подшипников качения с полыми роликами и подтвердили целесообразность их использования для повышения надежности опор судового валопровода.

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ Є ПОЛЫМИ РОЛИКАМИ^ ТЕХНОЛОГИЯМИ^.

СБОРКИ И МОНТАЖА.

5−1. — Исследование влияния подшипников качения на энергозатраты валопроводам.

На примере1 эсминца пр. 11 150 водоизмещением. 6800 т и развиваемой скоростью 3 0 узлов, ранее на этапе 2- 1 настоящейработы, было/ произведено исследование конструкции валопровода и разработана его: расчетная схема.

В процессе: работы с помощью программы «Вал-Оптим» были определены деформациии напряжения" изгиба в сечениях валопровода, нагрузки на опоры и: характер распределения нагрузок в протяженных подшипниках с: учетом внешних факторовтакихкак деформация корпуса судна! приместном и общем изгибеприводящие: к изменению пространственного^{положения} опорных подшипников-. Знаяшагрузкишаюпорыпроизведем-, расчет моментов" тренияи: потерь мощности?: для" подшипников* качениякоторые: соответствует 31, 39, 49- 57,. 66 элементам-расчетной"схемы валопровода.

Согласно положенияммеждународного стандарта: сопротивление вращению в подшипниках каченияоцениваетсядвумя' параметрами: моментом вращения и моментом трогания. Под моментом вращения понимается момент, необходимый для? удержанияот вращения? одного кольцаподшипникав то время'? как другое его кольцо вращается: Момент трогания — момент, необходимый: для приведения в движение: одного" кольцаподшипника относительнодругого из состояния покоя. Момент трогания-: всегда: больше момента вращения примерно от 1,5−3 раз.

При работе подшипника сопротивление вращению складывается из нескольких составляющих:

— трения между роликами и дорожками качения колец подшипника, складывающегося, в свою очередь, из трения качения и дополнительного трения скольжения, возникающего на площадках контакта, вследствие сдвиговых деформаций материала и неравенства окружных скоростей отдельных точек контакта;

— трения тел качения в ячейках сепаратора;

— вязкого сопротивления смазочного материала.

В ненагруженных или легконагруженных подшипниках момент вращения связан, в основном, с сопротивлением" смазочного материала и трением тел качения-в сепараторе и зависит от способа смазки, количества и вязкости масла. В нагруженных подшипниках преобладающим становится трение на площадках контакта между телами качения и кольцами. С ростом нагрузки силы трения на площадках контакта тел качения увеличиваются, соответственно увеличивается и момент вращения.

Сопротивление вращению зависит от многих факторов и достоверную величину момента вращения можно определить только расчетным путем. Однако при определенных условиях эксплуатации подшипников качения момент трения может быть оценен по формуле:

Мтр=/7^, (4.1) где? — коэффициент трения, условно приведенный к внутреннему диаметру подшипника или диаметру валат — радиальная нагрузка на подшипник, Н.

Зная величину f коэффициента трения, можно определить расход мощности на преодоление трения в подшипнике.

Ятр[Вт]=^, (4.2).

Однако трение в ПК представляет собой сложный физический процесс, обусловленный контактными и общими деформациями соприкасающихся тел, геометрией поверхностей качения, свойствами смазки, сопротивлением потока смазки или среды, окружающей рабочие элементы подшипника и физические свойства материалов контактирующих пар.

1. Расчетная вязкость смазочного материала при рабочей температуре.

Вязкость используемого смазочного материала ЬвЕР 2: Индекс вязкости VI = 95 Температура, °С = 40 Вязкость, мм2/с = 200.

Рабочая температура [°С] 60.

Рабочая вязкость v [мм2/с] 72,9 к (v/vO 2,86 | где v = рабочая кинематическая вязкость, мм2/сVi = требуемая вязкость, мм2/ск = относительная вязкостьv/vi.

VI = индекс вязкости, отношение вязкости к температуре.

2. Для определения* момента трения и потерь мощности в опорном подшипнике качения были использованы расчетные средства компании SKF, которые находятся в свободном доступе на их сайте.

В таблице 4.1 приведены исходные данные подшипника для расчета момента трения и потерь мощности (нагрузка принимается с двукратным запасом).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, предназначенные для решения важной прикладной задачи — обеспечения высокой надежности, повышении долговечности и несущей способности опор судовых валопроводов.

На основании проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований автором получены следующие наиболее существенные научные и технические результаты:

1. Исследовано распределение нагрузки между телами качения в подшипнике с полыми роликами, позволяющее оценить влияние пустотелости роликов на снижение нагрузки на наиболее нагруженный ролик.

2. Установлены функциональные зависимости, определяющие влияние коэффициента пустотелости ролика на его упругие деформации и значения напряжений в его опасных точках, что имеет существенное значение для определения несущей способности и жесткости подшипника с полыми роликами.

3. Представлены уравнения, определяющие компоненты напряжений в опасных точках ролика, позволяющие оценить прочность материала и интенсивность максимальных напряжений с точки зрения различных теорий прочности. Исследования деформаций и напряжений в полых роликах подтверждены экспериментальными замерами.

4. Проведенный в АЫБУЗ конечно-элементный анализ позволил смоделировать условия нагружения подшипников, работающих в нестандартных условиях, и провести сопоставление и оценку его прочностных характеристик с целью оптимизации конструкции подшипника.

Применение подшипников качения с полыми роликами обеспечивает повышенную надёжность, долговечность, безотказность работы, увеличение быстроходности, снижение шумности, вибрации и расхода смазочных материалов, уменьшение момента трения (трогания), возможность эксплуатации в экстремальных условиях без подвода смазки, повышение коррозионной стойкости и легкость хода.

Разрабатываемые подшипники качения могут использоваться во всех областях машиностроения. Результаты разработки могут быть применены в транспортной промышленности и многих других областях. Они могут использоваться на всех типах судов: пассажирских, грузовых и военных кораблях, независимо от диаметра судового вала. Ожидается, что потенциальными заказчиками таких подшипников будут являться крупнейшие судостроительные верфи и судоремонтные заводы. ь^Лідутимад.

Промышленная ул., д. 7, Санкт-Петербург, 198 095, тел.: (812)786−0401 факс: (812)786−0459 Е-шаіІ: іпЬпх@<�і^слрЬ гн ОКПО 7 502 259 ОГРН1 097 847 011 371 ИНН 7 805 482 938 КПП 997 850 001.

201ІГ.

АКТ о внедрении результатов диссертационной работы Гавршпока Р. Н.: «Конструктивно-технологические основы создания подшипников качения для судового водопровода с повышенными эксплуатационными характеристиками».

Разработанные аспирантом Гавршпоком Р. Н. конструктивно-технологические основы в ходе проведения исследовательских работ по диссертации представляют несомненный интерес для специалистов ОАО «Центр технологии судостроения и судоремонта» и в этой связи основные научные положения указанной работы приняты к использованию в научно-производственной деятельности нашего предприятия.

Следует отметить, что внедрение научно-технических результатов диссертации Гаврилюка Р. Н. в проектирование и производство движительных комплексов несомненно позволит:

— повысить ресурс (в два-три раза) по сравнению с существующими подшипниками скольжения;

— снизить коэффициент трения в три-четыре раза, что обеспечит значительную экономию расхода топлива при эксплуатации судов;

— снизить уровень шума работы подшипников и их массы.

С целью более широкого внедрения нового вида подшипников для движительных комплексов судов и кораблей разных типов и классов рекомендуем в дальнейшей продолжить Гавршпоку Р. Н. научно-исследовательские работы в данном направлении.

Главный научный сотрудник НТФ «Судотехнология», доктор техн. наук, заслуженный машиностроитель РФ?? Н. И. Герасимов канд. техн наук.

Главный специалист НТФ «Судотехнология.

В.Г.Нестеров.