6.3. Проверочный расчет сложного напряженного состояния валопровода и определение запасов прочности

Расчет производится с целью проверки прочности валопровода. Расчетные зависимости Правил Регистра и др. учитывают только одну нагрузку – вращающий момент двигателя и равный ему и противоположно направленный реактивный момент винта. Прочие нагрузки учитываются при проверке прочности. Сначала нужно составить расчетную схему с указанием всех действующих нагрузок, в том числе:

- распределенных нагрузок, сосредоточенных сил – веса гребного винта и сил от сосредоточенных масс на пролетах, реакций опор валопровода, указанных выше моментов, пульсирующие нагрузки от работы винта в косом потоке за корпусом судна и др. На рис.6.8 представлена расчетная схема валопровода и нагрузки, действующие на валопровод:

- вращающий момент двигателя M^кр = , кНм, и реактивный момент винта M^р, с точностью до моментов трения в сальниках и подшипниках равный M^кр;

- распределенные нагрузки q_гр и q_пр, равные силе веса погонного метра соответствующих валов кН/м;

- сила веса гребного винта G_гв, которую можно определить, например, с помощью формулы:

кН, (2)

где D_гв – диаметр гребного винта, м; - дисковое отношение винта, равное 0,5...0,7;

- реакции опор валопровода R₁ – R₃. Реакция кормового подшипника промежуточного вала отсутствует, так как он монтажный. Для определения реакций опор следует использовать, например, метод конечных элементов [6];

- упор винта и равное ему и противоположно направленное усилие в упорном подшипнике, движущее судно;

- моменты от работы винта в косом потоке за корпусом судна: 1 в вертикальной плоскости и 2 в горизонтальной плоскости. Поток, стекающий с корпуса на винт, на самом деле прямой, но для винта в связи с его вращением этот поток становится косым, от чего создаются дополнительные моменты. Данные о дополнительных моментах от работы винта в косом потоке являются экспериментальными и зависят от сложной совокупности параметров, в том числе от формы кормового образования и числа лопастей винта. В первом приближении эти величины можно найти по рекомендациям [6];

- пульсационные составляющие упора и дополнительных моментов, возникающие вследствие работы винта с конечным числом лопастей в потоке за корпусом судна. Эти составляющие можно определить по данным [4] и их амплитудные значения следует добавит к величинам, определенным в предыдущем абзаце.

Облегчением расчета фактических напряжений валопровода является то, что можно заранее указать расчетное сечение с наибольшим значение напряжения. Это сечение расположено на кормовой опоре в расчетной точке приложения реакции. Для этого сечения следует определить нормальные, касательные и эквивалентные напряжения с учетом дополнительных монтажных напряжений и сравнить их с допускаемыми. Коэффициент запаса прочности должен лежать в заданных пределах.

6.4. Расчет колебаний валопровода

Расчет производится с целью по возможности избежать появления резонансных явлений и снижения надежности валопровода вследствие действия знакопеременных резонансных нагрузок. В случае, если этого избежать не удается, необходимо установить запретные зоны частот, ограничивающие напряжения от резонанса.

Расчеты колебаний валопроводов - сложная процедура. В процессе разработки варианта ПК её удается решить только в первом приближении и только ограниченно. Производится расчет низших частот колебаний наиболее проблемных участков валопровода. Обычно это – консоль гребного вала и пролет наибольшей длины. Собственная частота колебаний гребного вала в вертикальной плоскости, с^-1, определяется в соответствии со следующим выражением:

, (3)

где EI – изгибная жесткость гребного вала, Нм²; L – расстояние между опорами гребного вала, м; l_к – длина консоли гребного вала – расстояние между точками приложения усилий – реакции кормовой опоры и силы веса винта, м; M - сумма массы гребного винта и присоединенных масс воды, кг; момент инерции гребного винта и присоединенных масс воды; q – интенсивность распределенной нагрузки на гребном валу, кг/м; - коэффициент податливости кормовой опоры. Он может быть принят равным 1...1,5 для металлических подшипников; 2,5 для бакаута и синтетических материалов; 4 – для резинометаллических подшипников.

Частота первого тона собственных колебаний пролета промежуточного вала, свободно лежащего на опорах, определяется по формуле, с^-1:

, (4)

где L_пр – длина пролета наибольшей длины на промежуточном валу, м; P – упор винта на максимальном режиме, кН; - критическая сила при продольном изгибе, кН.

Полученные значения собственных частот сравниваются с частотами возмущающих сил – частотой вращения главного двигателя на режиме МДМ n_max, лопастной частотой винта – произведением n_max на число лопастей винта; произведением n_max на число цилиндров в составе агрегата двигателя. Если собственные частоты на 20 и более % больше частоты возмущающих сил, то резонанса на наиболее опасных низких частотах не будет. В противоположном случае требуется более точный, но и более сложный расчет.