Определение прочных размеров валопровода

Основной расчетный размер валопровода в соответствии с Правилами Регистра РФ это диаметр промежуточного вала d_пр: Для его определения следует использовать такую зависимость:

где F – коэффициент, учитывающий тип главного двигателя. Для ротативных, в том числе турбинных двигателей F= 95, а для поршневых двигателей, в том числе ДВС F= 100; –отношение N_e – мощности, кВт, к n – частоте, об/мин. Это отношение представляет из себя величину вращающего момента, выраженного во внесистемных единицах кВт/(об/мин) и развиваемого двигателем на расчетном режиме эксплуатации. В качестве последнего принимают режим с наибольшим значением крутящего момента. В качестве расчетного режима при проектировании валопровода принимают параметры спецификационного режима при мощности N_e^треб и частоте, соответствующей наибольшей цикловой подаче топлива при p_e^max. При практическом проектировании режим СМДМ обычно не вводится. Избыток мощности NEL1 над N_e^треб используется для небольшого увеличения скорости. На эффективности это практически не отражается, а работа, выполняемая судном будет больше. Так, что правильнее проектировать валопровод на наибольшую мощность NEL1 двигателя и его наибольшую частоту NL1.

Прочие размеры валопровода назначаются в долях от d_пр. В частности упорный вал, проходящий через отдельно стоящий (выносной) главный упорный подшипник, должен иметь на расстоянии до одного диаметра от упорного гребня диаметр не меньше На большем расстоянии от упорного гребня диаметр можно постепенно уменьшить до размера промежуточного вала.

Кормовая оконечность гребного вала d_гр должна иметь диаметр не меньше определенного по следующей зависимости:

Параметры этой зависимости, кроме коэффициента k, рассмотрены выше и представляют из себя составляющие формулы для диаметра промежуточного вала. Коэффициент усиления гребного вала k зависит от способа крепления винта на конусе. Если используется бесшпоночное соединение, то k принимается равным 1,22. В случае применения шпонки, предотвращающей проворачивание гребного винта на конусе, сечение гребного винта ослабляется и необходимо применение k =1,26.

Указанные размеры валов рассчитаны для случая применения материалов с _вр =400 МПа. В случает применения материалов с _вр >400 МПа, следует произвести пересчет диаметров валов в соответствии с такой зависимостью:

Не рекомендовано применение материалов с _вр превышающими следующие величины: для промежуточного и упорного валов _вр =800 МПа, а для гребного вала _вр =600 МПа.

При наличии у судна категории ледового усиления, найденные значения диаметров следует увеличить в соответствии со следующей зависимостью Коэффициенты усиления, выраженные в процентах, принимаются в соответствии с табл.4.1. Таблица 4.1

Ледовые усиления валов судовых валопроводов

Тип валов	Категория ледового усиления
ЛУ1 и 2	ЛУ3	ЛУ4	ЛУ5	ЛУ6	ЛУ7
Промежуточный и упорный					13,5
Гребной

Для категорий ледового усиления ЛУ8, ЛУ9 и ледоколов коэффициенты усиления согласовываются с Регистром РФ особо.

Для всех судов с ледовыми ограничениями кроме ЛУ1 диаметр гребного вала в кормовом подшипнике не должен быть меньше рассчитанного по такой формуле:

где a – коэффициент влияния размеров ступицы гребного винта, равный 10,8 при D_ст 0,25 D_в и 11,5 при D_ст >0,25 D_в; b – ширина спрямленного цилиндрического сечения лопасти на радиусе

0,25 R_мах для цельнолитых винтов и 0,35 R_мах для ВРШ, где R_мах = D_в /2, м; s – наибольшая толщина сечения лопасти на том же радиусе, м; _лоп – временное сопротивление материала лопастей гребного винта, МПа; _вал – временное сопротивление материала гребного вала, МПа.

Полученные в результате всех пересчетов значения диаметров следует согласовать с рядом предпочтительных диаметров шеек судовых валопроводов. Это сложный ряд, основанный на арифметической прогрессии с переменным шагом. Он представлен в табл.4.2, размеры в мм.

Таблица 4.2

Ряд предпочтительных диаметров шеек валопроводов

Диапазон диаметров	90–140	140– 300	320– 420	420 – 570	570– 780	780– 1100
Шаг прогрессии				Перемен-ный 30/20

При выборе окончательного значения диаметра для каждого из валов принимается ближайший больший к расчетному значению диаметр из ряда предпочтительных диаметров.

При наличии отверстия вдоль оси вала с диаметром до 40% от наружного диаметра компенсация снижения прочности не требуется. При необходимости сделать отверстие большего диаметра этот диметр d_o не должен быть больше определенного по следующей зависимости:

где d – диаметр вала без отверстия; d_ф – фактический диаметр вала с отверстием.

Диаметр соединительных болтов d_б для фланцев валопровода должен быть не менее определенного по следующей формуле:

где d_пр – окончательно принятый диаметр промежуточного вала, мм; s_в – временное сопротивление материала вала, МПа; s_б – временное сопротивление материала болта, МПа. На значения  s_б наложено ограничение: s_в s_б 1,7 s_в . В любом случае s_б 1000 МПа; i – число болтов; D_ц – диаметр центровой окружности, мм.

Толщины фланцев валов судовых валопроводов не должна быть меньше 0,2 d_пр или диаметра соединительного болта. Из двух рассмотренных значений принимается большее. В случае навешивания гребного винта на фланец гребного вала толщина этого фланца должна быть не меньше 0,25 d_гр. При расчетах толщины фланцев принимаются окончательные значения соответствующих диаметров – после введения всех усилений и округления.

4.2. Разработка конструкции валопровода

Преследует цель построение расчетной схемы для реализации последующих этапов проектирования. В процессе разработки конструкции нужно определиться с типом и расположением опорных подшипников, размерами и конструкцией дейдвудных устройств, конструкцией отдельных валов.

Рассмотрим последовательность выполнения этого этапа на примере морского транспортного судна с закрытым типом кормового образования. На рис.4.1 представлена схема расположения ПК в МКО такого судна.

Как видно из рис.4.1 гребной вал для производства ремонтных и профилактических работ выкатывается из дейдвудной трубы в помещение МКО. Для этого от кормового фланца двигателя до переборки ахтерпика предусмотрено расстояние, обозначенное как ремонтный габарит гребного вала L_рем и численно равное длине гребного вала L_гр. Последняя определяется как сумма длины ахтерпика, длины конуса гребного вала, предназначенного для навешивания винта, и длины носового участка гребного вала, необходимого для обслуживания носового уплотнения дейдвудной трубы.

Для определения длины гребного вала нужно знать длину ахтерпика. На рис.4.2 представлена графическая зависимость относительной длины ахтерпика в функции длины судна между перпендикулярами, принятая в соответствии с [9].

Из этого же источника заимствована представленная на рис.4.3 графическая зависимость второго параметра, необходимого для координирования положения валопровода в пространстве – высоты второго дна в функции ширины судна на миделе.

От высоты второго дна над основной линией вверх откладывается возвышение оси коленчатого вала над уровнем лап фундаментной рамы двигателя. Так определяются вторая координата одной из точек на оси валопровода – центра фланца отбора мощности от двигателя.

Вторая точка на оси валопровода определяется исходя из положения центра гребного винта, см. рис.4.1. Целесообразно исключить или минимизировать уклон гребного вала. Для этого возвышение фланца отбора мощности следует приравнять возвышению центра оси винта.

Если сумма высоты второго дна и возвышения коленчатого вала над плоскостью лап фундаментной рамы меньше возвышения оси винта над основной плоскостью, то следует устроить переходный фундамент, обеспечивающий горизонтальное положение валопровода или просто увеличить высоту двойного дна в районе главного двигателя. В обратном случае уклон гребного вала неизбежен, однако, его величина, во избежание снижения полезного упора, не должна превосходить

2 – 3 ^о.

Таким образом, выше определена общая протяженность валопровода, выделен гребной вал, валопровод расположен в пространстве, к нему подмонтированы с одной стороны движитель, а с другой главный двигатель. В данной реализации, для судна с закрытой кормой длина валопровода является минимально возможной. Её можно изменить, но только в большую сторону.

Общая длина промежуточных валов может быть получена из общей длины валопровода за вычетом длины гребного вала. Разделение суммарной длины промежуточных валов на ряд отдельных валов происходит на основе анализа расстояния между опорами. На каждом валу должны быть две опоры, иначе затруднены монтаж и разборка валопровода. Однако расстояние между точками приложения сил на соседних опорах ограничено в Правилах Регистра как сверху, так и снизу:

(4.1)

где L_моп – расстояние между точками приложения сил на пролете вала; d – минимальный диаметр вала на пролете, мм; q – коэффициент, зависящий от частоты вращения вала. Он принимается равным 14 при об/мин и 300/ при большей частоте; b – отношение диаметра расточки к наружному диаметру вала.

В дейдвудной трубе могут быть расположены не более двух подшипников. При малой длине ахтерпика одна из опор дейдвуда может быть вынесена в помещение МКО. На каждом промежуточном валу должны быть две опоры, расположенные симметрично на расстоянии L_пр /4 от краев вала. В случае, если расстояние между опорами больше максимально допустимого в соответствии с формулой (4.1), промежуточный вал нужно разделить на два и больше участков, каждый со своими фланцами и опорами. Число промежуточных валов определяется правой частью ограничения (4.1). Если же расстояние между опорами меньше минимального значения в соответствии с (4.1), то одну из опор нужно сделать монтажной, как это показано на рис.4.1. После завершения монтажа из неё удаляют опорные вкладыши. Эксплуатация этого подшипника ведется без вкладышей, которые возвращают на место только при разборке и сборке валопровода.

В качестве антифрикционного материала для подшипников дейдвудной трубы и кронштейна могут применяться баббит, бакаут, резина, капролон, а также другие, одобренные Регистром, синтетические материалы. Характеристики подшипников дейдвуда, выполненные из этих материалов, приведены в табл.4.3. Таблица 4.3

Характеристики дейдвудных опор

Материал подшипника	l / d. Не менее	qдоп, МПа
Белый металл (баббит)
Бакаут		0,25
Резина и другие синтетические материалы при смазке водой		0,25
Резина и другие синтетические материалы при смазке маслом

В табл.4.3 приведена l / d длина опорной части, выраженная в долях от диаметра шейки вала в районе подшипника. Допускаемое значение удельной нагрузки – отношение реакции подшипника к проекции опорной части на горизонтальную плоскость. Длину опорной части подшипников на водяной смазке может быть уменьшена до 2 d при соблюдении требований к удельной нагрузке. Длина опорной части подшипника на масляной смазке, ближайшего к винту при удельной нагрузке не превышающей 0,8 МПа может быть уменьшена, но в любом случае эта длина не может быть меньше 1,5 d. Длина опорной части подшипника, ближайшего к винту, выполненного из резины или синтетических материалов при смазке водой при условии надежной работы может быть уменьшена до 2 d. Длина опорной части второго и последующих подшипников кронштейна и дейдвудной трубы определяется из фактических нагрузок по нормам табл.4.3.

Реакции всех опор должны быть положительными – направленными вверх. Они приложены в серединах опорной части подшипников. Только для подшипников на водяной смазке, ближайших к винту, реакция смещена по направлению к винту и расположена на 1/3 длины опорной части от кормового среза.

Диаметр гребного вала от носового торца носового уплотнения может быть постепенно уменьшен до фактического значения диаметра промежуточного вала

Дата добавления: 2015-08-13