Параметры усталостных характеристик

Тип соединения гребного вала с винтом	Неупрочненный	Упрочненный по ОСТ 5.9049
		b	α	b
Прессовое бесшпоночное или шпоночное по ГОСТ 8838 Фланцевое по ОСТ 5.4298 - при наличии облицовки - без облицовки					1,5

Величина коэффициента запаса в нормах прочности, учитывающего погрешность в разбросе расчетных параметров нагрузок и усталостных характеристик, а также требуемую высокую надежность гребных валов, принимается равной _з= 2 или 1,7 соответственно при расчетном и по данным тензометрирования определении напряжений изгиба и кручения . Если циклическая прочность недостаточна, то рекомендуются следующие варианты повышения сопротивления усталостному разрушению:

- поменять существующую марку стали на сталь с более высоким пределом прочности;

- в качестве конструктивного мероприятия возможно увеличение диаметра вала или изменение его конструкции;

- в качестве технологических мероприятий можно выполнить упрочняющую обработку поверхности (закалка с нагревом ТВЧ, дробеструйную обработку, либо накатку роликами).

Если коэффициент запаса прочности оказался меньше n _з = 1,5...2,5, то диаметр вала надо пересчитать, учитывая, что нормальные и касательные напряжения в вале обратно пропорциональны диаметру вала в третьей степени, по формуле d, где - ранее принятый диаметр вала по коэффициенту запаса прочности по; d - новое значение диаметра с желаемым коэффициентом запаса прочности (обычно принимают n _з = 1,65). Вновь найденный диаметр вала округляют до стандартного значения и выбирают диаметры для остальных участков.

2.4.3 Расчет изгибных колебаний.

Целью расчета изгибных колебаний является определение частот свободных изгибных колебаний валопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях, отстройка от резонансов лопастного порядка на номинальном режиме и определение коэффициентов динамического усиления переменных (лопастных) изгибающих усилий со стороны винта.

Появление изгибных колебаний связано с тем, что при вращении валопровода на него действуют:

- изгибающий момент от силы веса гребного винта с частотой, равной частоте вращения винта;

- гидродинамические изгибающие моменты, обусловленные работой гребного винта в условиях неравномерного поля скоростей (изменение этих моментов подчиняется лопастной частоте);

- центробежная сила от недостаточной балансировки гребного винта и др.

Основной задачей расчета является исключение появления на всех эксплуатационных режимах сил и моментов, имеющих, как правило, лопастную частоту или частоту, совпадающую с частотой вращения гребного винта. В количественном плане указанное требование регламентируется величиной отстройки от резонанса:

0,2,

где n _с, n _в – частоты свободных и вынужденных колебаний, соответственно.

Если величина отстройки от резонанса не удовлетворяет рекомендованным требованиям, то ее потребное значение достигается за счет изменения частоты свободных изгибных колебаний путем варьирования диаметрами валов, расстояниями между опорами, конструктивными параметрами гребного винта.

В практических расчетах частоты свободных изгибных (поперечных) колебаний валопроводов используются два метода – расчет критической частоты вращения вала с помощью эмпирической формулы Бринелля и метод ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова.

Критическую частоту вращения гребного вала, при которой возникают предельные поперечные колебания вала, подсчитывают по эмпирической формуле Бринелля, мин^-1, при этом валопровод заменяют двухопорной балкой с одним свешивающимся концом (Рис.8).

где - расстояние от середины опоры в подшипнике кронштейна до центра тяжести гребного винта, м; - остальная длина гребного вала (расстояние между серединами дейдвудных подшипников), м; - распределенная нагрузка пролёта длиной , кН/м,

где - диаметр гребного вала, м; - плотность материала вала кг/м³; - удельная нагрузка пролёта , кН/м,

где G _в - сила веса гребного винта, кН; I – экваториальный момент инерции сечения вала относительно его оси E = – модуль упругости стали, кН/м²; g = 9,81м/с² - ускорение свободного падения.

Рис. 8 Расчетная схема для проверочного расчета критической

частоты вращения при поперечных колебаниях вала; А – подшипник кронштейна, В - подшипник дейдвудного устройства

Критическая частота n _кр вращения вала должна быть больше её номинального рабочего значения n _н, при этом необходимый запас частоты вращения (отстройка от резонанса) должен быть

При невыполнении этого условия необходимо уменьшить расстояние между опорами или увеличить диаметр вала.

Во втором методе, разработанном в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, в расчете рассматривается только кормовой участок валопровода, поэтому расчетная схема представляется в виде балки, покоящейся на двух точечных опорах. При таких условиях низшую частоту свободных изгибных колебаний валопровода в вертикальной плоскости n _c, Гц, ориентировочно можно определить по формуле

где E- модуль упругости материала вала E = 2,16 Па; J – осевой момент инерции опасного сечения гребного вала, м⁴, М и θ – масса, кг, и момент инерции массы, кг·м², гребного винта, μ – плотность распределения массы гребного вала, кг/м; l и L (соответственно l ₂ и l ₁ на рис.8)– длина консоли и кормового пролета гребного вала, м; α – безразмерный коэффициент, характеризующий податливость дейдвудных подшипников: α = 1,5 – для металлических подшипников, α = 2,5 – для бакаутовых и текстолитовых подшипников, α = 4 – для резинометаллических и капролоновых подшипников.