Судовой валопровод, состав, основные элементы, схемы и расчёт

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.

СодержаниеСвернуть

Определение диаметра валопровода
Проверочный расчет прочности промежуточного вала
Проверочный расчет прочности гребного вала
Проверочный расчет на критическую частоту вращения гребного вала
Проверочный расчет вала на продольную устойчивость

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:

d ⩾ \frac{560}{R_{m} + 160} \cdot k \cdot C_{E W} \cdot \sqrt[3]{\frac{P}{(n \cdot [1 - {(\frac{d_{i}}{d_{r}})}^{4}])}}, м м, Ф о р м . 1

где:

R_m – временное сопротивление материала вала, МПа.

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

k – коэффициент:

для промежуточных валов с коваными фланцами или фланцевыми бесшпоночными муфтами k = 130;
для промежуточных валов со шпоночными муфтами k = 140;
для упорных валов в подшипниках качения k = 142;
для гребных валов на расстоянии не более 4-х диаметров гребного вала от носового торца ступицы гребного винта k = 160;
для гребных валов на расстоянии более 4-х диаметров гребного вала от носового торца ступицы гребного винта k = 150.

C_EW – коэффициент усиления:

для судов без ледового усиления C_EW= 1.0;
для судов, предназначенных для плавания в битом льду, C_EW= 1.05;
для ледоколов и судов ледокольного типа CEW = 1.07.

Р – расчетная мощность, передаваемая валом, кВт;

n – расчетная частота вращения, мин^-1;
d_i – диаметр осевого отверстия вала, мм, если этот диаметр меньше или равен 0.4d_r, то можно принять d_i= 0;
d_r – действительный диаметр вала, мм.

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 \cdot d_{r} + 7, 5, м м,

где:

d_r – действительный диаметр гребного вала, мм.

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:

σ_{п} = \sqrt{σ_{0}^{2} + 3 \cdot τ_{к}^{2}}, к П а, Ф о р м . 2

где:

σ₀ – наибольшее нормальное напряжение, кПа;
τ_к – касательные напряжения от кручения, кПа.

σ_{0} = σ_{с ж} + σ_{и} + σ_{м}, к П а, Ф о р м . 3

где:

σ_сж – напряжение сжатия при действии упора гребного винта, кПа;
σ_и – наибольшее расчетное напряжение при изгибе, кПа;
σ_м = 30 000 – напряжение от неточности монтажа валовой линии, кПа.

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:

τ_{к} = \frac{480 \cdot N_{e}}{π^{2} \cdot n \cdot d_{п р}^{3}}, к П а, Ф о р м . 4

где:

N_e – мощность, передаваемая валом, кВт;
n – частота вращения вала, мин^-1;
d_пр – диаметр промежуточного вала, м.

Напряжение сжатия:

σ_{с ж} = \frac{4 \cdot P}{π \cdot d_{пр}^{2}}, к П а, Ф о р м . 5

где:

Р – упор гребного винта, создаваемый при номинальном режиме работы главных двигателей, определяемый по формуле:

P = \frac{N_{e}}{V} \cdot η, к Н, Ф о р м . 6

где:

N_e – номинальная мощность главного двигателя, кВт;
V – скорость хода судна, м/с;
η = 0.6…0.72 – к. п. д. линии валопровода и движителя, принимается в зависимости от типа передачи.

Напряжение изгиба:

σ_{и} = \frac{32}{π \cdot d_{пр}^{3}} \cdot (\frac{{(R_{a} - G_{0})}^{2}}{2 \cdot q} + G_{0} \cdot a), к П а, Ф о р м . 7

где:

G₀ – сосредоточенная нагрузка, кН;
а – расстояние от опоры А до сосредоточенной нагрузки, м;
R_a – реакция в опоре А, кН.

R_{a} = \frac{q \cdot l}{2} + G_{0} \cdot \frac{b}{l}, к Н, Ф о р м . 8

где:

l – длина пролета между опорами, м;
b – расстояние от опоры В до сосредоточенной нагрузки, м;
q – распределенная нагрузка от собственной массы вала, кН/м.

q = \frac{π \cdot d_{пр}^{2}}{4} \cdot γ, к Н / м, Ф о р м . 9

где:

γ_ст = 77…79 – удельный вес стали, кН/м³.

Подставляя найденные значения σ_сж, σ_и, σ_м и τ_к в формулу (2) находится общее расчетное напряжение σ_п в валу. Гидродинамические характеристики гребных винтов и технология построения паспортных диаграммЗапас прочности относительно предела текучести материала вала:

n_{п р} = \frac{σ_{т}}{σ_{п}} ⩾ 2, 8 . Ф о р м . 10

Условие прочности вала:

σ_{п} ⩽ \frac{σ_{т}}{n_{п р}} . Ф о р м . 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 G_в рассматривается как сосредоточенная нагрузка, приложенная в центре консоли. Расчеты выполняются также, как и для промежуточного вала.

Напряжение кручения:

τ ‘_{к} = \frac{480 \cdot N_{e}}{π \cdot n \cdot d_{гв}^{3}}, к П а, Ф о р м . 12

где:

d_гв – диаметр гребного вала, м.

Напряжение изгиба от массы винта и консольной части вала:

σ ‘_{и} = \frac{32}{π \cdot d_{гв}^{3}} \cdot (G_{в} \cdot l_{0} + \frac{q ‘ \cdot l_{2}^{2}}{2}), к П а, Ф о р м . 13

где:

G_в – сосредоточенная нагрузка от массы гребного винта, кН;
l₀ – расстояние от опоры А до сосредоточенной нагрузки G_в, м;
l₂ – длина консольной части, м;
q′ – распределенная нагрузка от собственной массы вала, кН/м.

Интенсивность нагрузки вала собственной массой q′ и напряжения сжатия

σ_{с ж}^{'}

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

Наибольшее нормальное напряжение в гребном валу:

σ ‘_{0} = σ ‘_{с ж} + σ ‘_{и}, к П а . Ф о р м . 14

Общее расчетное напряжение:

σ ‘_{п} = \sqrt{σ ‘_{0}^{2} + 3 \cdot τ ‘_{к}^{2}}, к П а, Ф о р м . 15

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

n ‘_{п р} = \frac{σ ‘_{т}}{σ ‘_{п}} ⩾ 3, 15 . Ф о р м . 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 А_в 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 q₂> q₁, что соответствует действительности.

Предлагается к прочтению: Типы малых гребных лодок

Критическая частота гребного вала вычисляется по формуле

n_{к р} = (1 - 3, 3 \cdot \frac{q_{2}}{q_{1}} \cdot {(\frac{l_{2}}{l_{1}})}^{3}) \cdot \frac{30 \cdot π}{l_{1}^{2}} \cdot \sqrt{\frac{E \cdot J \cdot g}{q_{1}}}, м и н^{- 1},

где:

l₁ – длина гребного вала между серединами подшипников дейдвуда и кронштейна, м;
l₂ – длина гребного вала между серединами подшипников кронштейна и ступицы гребного винта, м;
q₁, q₂ – равномерно распределенная нагрузка на этих участках гребного вала от массы самого вала и гребного винта, кН/м;
Е = 216⋅10⁶ – модуль упругости стали, кН/м²;
J – экваториальный (осевой) момент инерции сечения вала относительно его оси, м⁴
g – ускорение свободного падения, м/с².

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

q_{1} = \frac{π \cdot d_{гр}^{2}}{4} \cdot γ_{с т}, к Н / м,

где:

γ_ст – удельный вес стали, кН/м³;
d_гр – диаметр гребного вала, м.

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

q_{2} = \frac{G_{г в}}{l_{2}} \cdot q_{1}, к Н / м,

где:

G_гв – нагрузка от массы гребного винта, кН.

Нагрузка от массы гребного винта может быть определена по формуле:

G_{г в} = 1, 47 \cdot D_{г в}^{3} \cdot Θ, к Н,

где:

D_гв – диаметр гребного винта, м;
Θ = 0.5…0.7 – дисковое отношение винта.

Экваториальный момент инерции сечения вала относительно его оси равен:

J = \frac{π \cdot d_{гр}^{4}}{64}, м^{4} .

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

n_{з а п} = \frac{n_{к р} - n}{n} \cdot 100 ⩾ 20 %,

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:

$λ = \frac{l m a x}{i},$

где:

l_max = l₁ + l₂ – полная длина гребного вала, м;
i – радиус инерции сечения гребного вала, м

$i = \sqrt{\frac{4 \cdot J}{π \cdot d_{г р}^{2}}}, м .$

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

$\frac{Р_{к р}}{Р_{m a x}} \geq 2.5$

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

Критическая осевая сила

$Р_{к р} = \frac{π^{2} \cdot E \cdot J}{J_{m a x}^{2}} \cdot (1 - \frac{n^{2}}{n_{к р}^{2}}), к Н .$

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

$Р_{m a x} = (1.25 . . . 1.3) \cdot Р, к Н,$

где:

Р – упор гребного винта, создаваемый при номинальном режиме работы главных двигателей, кН.

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

Сноски

Расчет судового валопровода

Определение диаметра валопровода

Проверочный расчет прочности промежуточного вала

Проверочный расчет прочности гребного вала

Проверочный расчет на критическую частоту вращения гребного вала

Проверочный расчет вала на продольную устойчивость