2.3.2. Условия работы валопровода

Валопровод кроме усилий от собственной массы и массы гребного винта подвергается действию нагрузок, оп­ределяемых гидродинамическими процессами, которые сопровождают работу гребного винта при взаимодействии его с корпусом, и механическим воздействием корпуса как деформируемой си­стемы. В связи с этим все нагрузки можно разделить на три группы: основные, дополнительные и случайные.

Основными нагрузками на валопровод являются собственная масса валопровода, массы насаженного на него гребного винта и других закрепленных на валах деталей; вращающий момент ГД, передаваемый гребному винту; реакция упора гребного винта, передаваемая валопроводом ГУП.

К дополнительным нагрузкам относятся усилия, возникающие вследствие работы гребного винта в косом потоке и при качке судна; гидродинамической и механической неуравновешенности гребного винта; деформации корпуса судна; неточности монтажа валопровода.

К случайным нагрузкам относятся удары лопастей гребного винта о льдины или другие твердые тела.

Собственная масса валопровода, массы гребного винта и дру­гих закрепленных на валах деталей действуют в одном направле­нии и являются по отношению к вращающемуся валопроводу пе­ременной нагрузкой, вызывающей усталостные явления в материале. Она изменяется, по симметрично-переменному циклу с периодом , где п — частота вращения, об/с.

Вращающий момент, развиваемый ГД, для каждого режима работы может носить постоянный характер (турбина, электро­двигатель) или циклический — изменяющийся во времени (ДВС).

При работе гребного винта с равным шагом лопастей и по­стоянной частотой вращения в равномерном поле скоростей воз­никают гидродинамические силы. Они вызывают постоянный по величине упор, который совпадает по направлению с осью вра­щения винта, и постоянный момент относительно этой оси в перпендикулярной к ней плоскости вращения.

В эксплуатации гребной винт, расположенный вблизи корпуса судна, работает в неравномерном потоке, что обусловливает пе­риодическое изменение гидродинамических сил, действующих на каждую лопасть. Теперь эти силы вызывают периодически изме­няющийся упор и вращающий момент. Направление упора уже не совпадает с осью вращения винта, а момент действует не в плоскости вращения винта. Таким образом, на гребной вал дей­ствуют кроме периодически изменяющегося вращающего момента и упора еще периодически изменяющиеся поперечные силы и мо­мент, изгибающие этот вал. Период изменения указанных нагру­зок равен , где — число лопастей гребного винта.

Гребные валы судов, валопроводы которых имеют углы уклона или сходимости, работают в косом потоке. В этом случае на них действуют поперечная сила и изгибающий момент, возрастающие с увеличением значения названных углов. При качке движуще­гося судна на волнении гребной винт работает в косом потоке, что вызывает знакопеременную поперечную силу и изгибающий момент. Эти нагрузки имеют место при неточности изготовления винта и лопастей, а также при плавании судна в балласте.

Плавание в балласте обусловливает неполное погружение гребного винта, в связи с чем из-за разницы упора при полном и частичном погружении лопастей возникает дополнительный изги­бающий момент от смещения центра приложения упора, который зависит от степени погружения винта, его диаметра и формы ло­пастей. Поэтому даже на спокойной воде при входе лопасти в воду каждый раз возникает ударное напряжение, что нередко приводит к поломкам гребных винтов и валов, даже при снижении скорости судна.

В процессе эксплуатации возникает механическая неуравно­вешенность (дебаланс) гребного винта в результате неравномер­ной коррозии и эрозии, а также механических повреждений (за­гибы, выкрашивание кромок лопастей, отломанные части), что практически не поддается учету. Износ поверхностей лопастей от истирания считается незначительным. Наибольший дебаланс — при поломке одной из лопастей, когда механическая и гидродина­мические неуравновешенности суммируются.

Под действием массы груза и давления воды происходит де­формация корпуса судна. Опоры валопровода, жестко связанные с корпусом, смещаются вслед за деформацией корпуса. В неко­торых случаях деформация корпуса может привести к расцентровке валопровода. С другой стороны, монтаж валопровода ведут в пределах заданных значений изломов и смещений, определяю­щих допустимую расцентровку. Значения их выбирают исходя из того, чтобы изгибающие напряжения знакопеременного характера при работе валопровода не превышали 25—35 МПа.

Забортная вода, являясь агрессивной средой, оказывает небла­гоприятное влияние на усталостную прочность материалов греб­ных валов. Последние, работая в условиях знакопеременных на­грузок, разрушаются. Наиболее часто разрушения наблюдаются в результате фреттинга на конических поверхностях валов под ступицами гребных винтов.

Усталостную прочность материалов гребных валов повышают поверхностным пластическим деформированием, устройством шпоночного паза ложкообразной формы на конусе и др.

Плавание во льдах является характерным режимом работы ледоколов, буксиров и судов ледового плавания. Удары о лед можно считать переменными нагрузками, оказывающими влияние на усталостную прочность валопроводов. Из-за многообразия ле­довых нагрузок они не поддаются расчету.

Усилия, действующие на валопровод (вращающий и изгибающий моменты, реакция упора гребного винта), не являются постоянными, а изменяются за один оборот по несимметричному циклу. Кроме того, эти усилия также непостоянные при измене­нии условий эксплуатации (загрузке судна, волнении моря, ре­жиме нагрузки двигателя и пр.).

Пульсации вращающего и изгибающего моментов, а также реакции упора при вращении валопровода могут усиливаться вследствие резонанса при совпадении собственных частот свобод­ных колебаний валопровода с частотами возмущающих сил и приводить к поломке вала. Валопровод может иметь три вида резонансный колебаний: крутильные, продольные и поперечные изгибные, на которые, пользуясь специальной литературой, рассчи­тывают судовые валопроводы. Крутильные колебания возникают в основном из-за неравномерности передачи момента от двига­теля к валопроводу. Причинами возникновения продольных ко­лебаний являются несовпадение центров тяжести вращающихся масс с геометрической осью вращения валопроводов и работа гребных винтов в неравномерном поле скоростей. В случае резо­нанса этот вид колебаний может привести к сильному износу дейдвудных подшипников и уплотнений, рабочих шеек и облицо­вок гребных винтов. При недостаточной жесткости конструкции судового фундамента ГУП также могут возникать продольные колебания валопровода. Они оказывают неблагоприятное влияние на работу главных передач (могут способствовать интенсивному изнашиванию зубьев редуктора) и двигателей. Рассчитывать ва­лопровод на эти колебания следует в случае вероятности дости­жения ими опасных значений.

Напряжения изгиба, обусловленные поперечными изгибными колебаниями, определяются теми же факторами, что и напряже­ния кручения. Расчет на поперечные изгибные колебания явля­ется необходимым для всех валопроводов.

Направление упора гребных винтов оказывает влияние на ос­новные усилия и вызываемые ими напряжения в валопроводе. Если судно движется вперед, то основные усилия вызывают кру­чение, поперечный и продольный изгибы, если назад — кручение, растяжение и поперечный изгиб. При той же схеме движения судна критическая частота вращения по поперечным изгибным колебаниям валопровода будет соответственно меньше (система сжимается) и больше (система растягивается).