.
Категории сайта

Расчет судового валопровода

Судовой валопровод работает в сложном напряженном состоянии. Он нагружен крутящим моментом, испытывает продольное сжимающее усилие от силы упора гребного винта на переднем ходу или растягивающее усилие на заднем ходу и изгибается под собственной массой и массой навешенных на него деталей. Эти нагрузки носят переменный и циклически повторяющийся характер. Точный расчет элементов валопровода при указанных условиях довольно сложен и требует ряд допущений. Поэтому главным является расчет, основанный на условном предположении, что вал подвергается воздействию статического крутящего момента.

Определение диаметра валопровода

Согласно правилам Речного Регистра промежуточные, упорные и Штевни и выход гребных валовгребные валы должны изготавливаться из стали с временным сопротивлением от 430 до 690 МПа. Сначала осуществляется предварительные расчеты диаметров валов, поскольку размеры всех элементов валопровода после формирования крутильной схемы должны быть уточнены по результатам расчета напряжений от крутильных колебаний, в том числе на режимах, соответствующих частотам вращения, запретным для длительной работы.

Диаметр промежуточного, упорного или гребного вала, должен быть не менее определяемого по формуле:

d560Rm+160·k·CEW·Pn·1didr43, мм,        Форм. 1

где:

Формула (1) достоверна при R= 400…600 МПа, в случае R> 600 МПа в формулу следует подставлять Rm = 600 МПа;

k – коэффициент:

CEW – коэффициент усиления:

Р – расчетная мощность, передаваемая валом, кВт;

Диаметр носовой части гребного вала на участке от дейдвудного сальника до фланца или муфты может быть постепенно уменьшен до значения, равного 1,05 диаметра промежуточного вала. Участки гребного вала, имеющие контакт с водой, в случае, когда вал не имеет сплошной облицовки или другой эффективной антикоррозионной защиты, должны иметь наружный диаметр, который на 5 % больше определенного с помощью формулы (1).

Ремонт валопроводов и судовых гребных винтовГребные валы должны быть защищены от коррозии способом, одобренным Речным Регистром.

Толщина бронзовой облицовки вала s должна быть не менее определяемой по формуле:

s=0,03·dr+7,5, мм,

где:

Проверочный расчет прочности промежуточного вала

Проверку прочности вала при сложном напряженном состоянии выполняют путем определения эквивалентных приведенных напряжений по энергетической теории прочности и расчетных запасов прочности по отношению к пределу текучести:

σп=σ02+3·τк2, кПа,          Форм. 2

где:

σ0=σсж+σи+σм, кПа,         Форм. 3

где:

Расчет на прочность деталей двигателяПри проверке прочности промежуточного вала рассчитывают пролет, имеющий наибольшую длину между центрами опорных подшипников (Рисунок 1). Вал рассматривают как балку, свободно лежащую на двух опорах. Влиянием смежных пролетов при изгибе, создающих упругую заделку концов вала, и увеличением диаметра вала на участках расположения шеек под опорные подшипники и переборочные сальники пренебрегают. Вал расточки не имеет. Для определения напряжений берут общий случай, когда между опорами одно фланцевое (или муфтовое) соединение массой G0, вал нагружен равномерно распределенной нагрузкой от собственной массы, упором гребного винта и крутящим моментом от главного двигателя. Кроме того, на вал действуют дополнительные усилия от неточности монтажа или расцентровки валопровода.

Схема расчета прочности
Рис. 1 Расчетная схема для проверочного расчета статической прочности промежуточного вала

Напряжение кручения:

τк=480·Neπ2·n·dпр3, кПа,         Форм. 4

где:

Напряжение сжатия:

σсж=4·Pπ·dпр2, кПа,           Форм. 5

где:

P=NeV·η, кН,           Форм. 6

где:

Напряжение изгиба:

σи=32π·dпр3·(RaG0)22·q+G0·a, кПа,         Форм. 7

где:

Ra=q·l2+G0·bl, кН,             Форм. 8

где:

q=π·dпр24·γ, кН/м,              Форм. 9

где:

Подставляя найденные значения σсж, σи, σм и τк в формулу (2) находится общее расчетное напряжение σп в валу. Гидродинамические характеристики гребных винтов и технология построения паспортных диаграммЗапас прочности относительно предела текучести материала вала:

nпр=σтσп2,8.             Форм. 10

Условие прочности вала:

σпσтnпр.              Форм. 11

Проверочный расчет прочности гребного вала

Проверочный расчет гребного вала проводят для участка между опорами в дейдвудной трубе и консоли, на которой навешан гребной винт (Рисунок 2). Усилие от массы гребного винта Gв рассматривается как сосредоточенная нагрузка, приложенная в центре консоли. Расчеты выполняются также, как и для промежуточного вала.

Расчет прочности гребного вала
Рис. 2 Расчетная схема для проверочного расчета статической прочности гребного вала

Напряжение кручения:

τк=480·Neπ·n·dгв3, кПа,           Форм. 12

где:

Напряжение изгиба от массы винта и консольной части вала:

σи=32π·dгв3·Gв·l0+q·l222, кПа,            Форм. 13

где:

Интенсивность нагрузки вала собственной массой q′ и напряжения сжатия

σсж 

подсчитываются по формулам (9) и (5) соответственно, подставляя диаметр гребного вала.

Наибольшее нормальное напряжение в гребном валу:

σ0=σсж+σи, кПа.         Форм. 14

Общее расчетное напряжение:

σп=σ 02+3·τ к2, кПа,          Форм. 15

Запас прочности относительно предела текучести материала вала и общего расчетного напряжения выражается отношением

nпр=σтσп3,15.        Форм. 16

Проверочный расчет на критическую частоту вращения гребного вала

Критическая частота вращения гребного вала при поперечных колебаниях определяется по приближенному методу Бринелля. Валопровод заменяют двухопорной балкой с одним свешивающимся концом (Рисунок 3).

Расчет критической частоты вращения
Рис. 3 Расчетная схема для проверочного расчета критической частоты вращения при поперечных колебаниях вала:
А – подшипник кронштейна;
В – подшипник дейдвуда

Гребной винт расположен на консоли на расстоянии l2 от центра опоры Ав подшипнике кронштейна. Остальная часть вала до опоры В, в дейдвудной трубе, имеет длину l1. Предполагают, что каждый из пролетов l1 и l2 балки несет равномерно распределенную нагрузку, но с разными интенсивностями q1 и q2, при этом q> q1, что соответствует действительности.

Предлагается к прочтению: Типы малых гребных лодок

Критическая частота гребного вала вычисляется по формуле

nкр=13,3·q2q1·l2l13·30·πl12·E·J·gq1, мин1,

где:

Длины l1 и l2 в зависимости от длины судна принимаются: l= 1,5…4,0 и l= 0,4…1,0, м. Нагрузка от массы вала, отнесенная к одному метру длины:

q1=π·dгр24·γст, кН/м,

где:

Нагрузка q2 представляет суммарную равномерно распределенную нагрузку от массы гребного винта и гребного вала на участке l2:

q2=Gгвl2·q1, кН/м,

где:

Нагрузка от массы гребного винта может быть определена по формуле:

Gгв=1,47·Dгв3·Θ, кН,

где:

Экваториальный момент инерции сечения вала относительно его оси равен:

J=π·dгр464, м4.

Критическая частота вращения гребного вала должна быть значительно больше номинального значения, при этом необходимый запас должен составлять не менее 20 %

nзап=nкрnn·10020 %,

в противном случае необходимо изменить расстояние между опорами l1 и l2.

Проверочный расчет вала на продольную устойчивость

Проверку вала на продольную устойчивость производят при больших длинах пролетов между опорами и малом поперечном сечении вала. Она заключается в нахождении критической силы или критического напряжения, и оценке запаса устойчивости.

Технология монтажа и ремонта судовых валопроводовВалы судового валопровода лежат в подшипниках свободно. В таком случае проверяемый вал, находящийся в пролете, можно рассматривать как вращающийся стержень, свободно лежащий на двух шарнирных опорах и сжатый силой упора, создаваемого движителем (Рисунок 4). При расчете принимают следующие допущения: осевая сжимающая сила приложена к центру вала и сечение вала по длине пролета не меняется.

Судовой вал
Рис. 4 Расчетная схема для проверочного расчета продольной устойчивости вала

Необходимость проверки вала на продольную устойчивость устанавливается в зависимости от гибкости вала:

λ=lmaxi,

где:

i=4·Jπ·dгр2, м.

Если λ < 80, то вал считается жестким и дальнейшей проверке на продольную устойчивость не подлежит. Если λ ≥ 80, то его нужно проверить на продольную устойчивость по выражению

РкрРmax2.5

т.е. запас устойчивости вала должен быть не менее 2.5.

Критическая осевая сила

Ркр=π2·E·JJmax2·1n2nкр2, кН.

При n > nкр множитель (формула) принимается равным единице. Максимальный упор гребного винта принимают равным

Рmax=(1.25...1.3)·Р,кН,

где:

Читайте также: Радиолокационные станции и средства автоматической радиолокационной прокладки

По результатам расчета валопровода составляют отчет. Форма отчета приведена в Приложение 1 – Результаты расчета валопровода. Отчет приводится в пояснительной записке после расчета валопровода.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Январь, 12, 2021 1898 0
Добавить комментарий

Текст скопирован
Пометки
СОЦСЕТИ