CC BY
75
УДК 621.891
А. П. Перекрёстов, В. А. Чанчиков ОБ УВЕЛИЧЕНИИ РЕСУРСА РАБОТЫ ГРЕБНОГО ВАЛА СУДНА
Введение
Эффективность работы судов зависит от надежности функционирования устройств, систем, энергетических установок. Важным устройством является валопровод. С увеличением водоизмещения, скорости хода судов, мощности энергетических установок возрастают нагрузки на валопроводы, что приводит к необходимости увеличивать их размеры. С увеличением размеров валопроводов повышается их жесткость и возрастают требования по качеству их монтажа и главной его составляющей - центровки. Валопровод при монтаже и в процессе эксплуатации, в основном за счет износа подшипников и вала, получает различные радиальные смещения опор, что изменяет его напряженное состояние. В условиях традиционного способа монтажа, при жестком креплении подшипников к фундаменту, указанные изменения проявляются все в большей степени с ростом размеров валопровода. Это приводит к тому, что из-за износа подшипников параметры центровки, реализованные при монтаже с учетом норм, быстро выходят за допускаемые пределы и валопровод оказывается в предельном состоянии. В целом, работоспособность валопроводов при жестком креплении подшипников к фундаменту оказывается незначительной, и возникает необходимость производить после некоторой наработки повторную центровку, что повышает трудоемкость работ и стоимость их выполнения [1]. В этой связи задача повышения работоспособности валопроводов является весьма актуальной.
Причины и последствия критического состояния валопроводов
Гребные или промежуточные валы ломаются относительно редко, гораздо чаще происходит их изгиб.
Лопнувший вал не ремонтируют, а заменяют, но во всех случаях необходимо проанализировать характер поломки и выявить ее причину. Важно, чтобы поломка по той же причине не повторилась при дальнейшей эксплуатации установки с новым валом.
Если вал сломался при ударе о подводное препятствие и при этом его скрутило, причем угол закрутки достигает величины ф° = (0,3-0,5)Ь/й, где Ь - длина, й - диаметр вала, см, то причина поломки заключена или в отсутствии предохранительной муфты или в неправильном выборе ее срезного элемента - он слишком прочен.
Может произойти поломка вала без заметного скручивания, а иногда и без видимых внешних причин, причем излом проходит под углом примерно 45° к оси вала и имеет зернистую структуру. В таких случаях причиной излома, как правило, является трещина, проходящая в районе шпоночных пазов или уступов.
Возникновение же трещин объясняется действием усталостных напряжений, появляющихся, когда вал передает, помимо основного постоянного крутящего момента от двигателя к винту, еще какие-то дополнительные моменты, периодически меняющие направление.
Такие знакопеременные нагрузки возникают:
— из-за неравномерной работы двигателя (чем меньше число цилиндров, тем неравномерность больше) или перебоев в работе одного из цилиндров;
— из-за неравномерного износа или низкого качества изготовления зубчатых передач;
— из-за неправильной установки карданных шарниров;
— из-за появления сил, периодически действующих на каждую из лопастей при пересечении лопастью следа от кронштейна или дейдвуда либо при прохождении вблизи днища и у кронштейна;
— из-за плохой центровки или изгиба вала.
В условиях эксплуатации для предохранения валов от поломок из-за возникновения крутильных колебаний целесообразно увеличивать диаметры шеек валов в местах крепления муфт и винта, т. е. усиливать те места, где чаще всего возникают усталостные разрушения. Очень полезна установка упругих муфт, особенно на промежуточном валу.
Наиболее интенсивное изнашивание опор скольжения происходит в период приработки, пуска и остановки, реверса.
Скорость изнашивания опор зависит от многих факторов: действующей нагрузки (контактного давления), температуры, вида и режима движения, частоты вращения и т. д. Решающее значение имеют материалы трущихся сопряжений, физико-химические и механические свойства поверхностных и приповерхностных слоев, физико-химические свойства смазочного материала, метод смазывания.
Ресурс подшипника скольжения определяется по формуле [2]:
ь_-------------------,
(1и • + 42 • !^2) •п
где Ь - ресурс работы подшипника (долговечность); [И] - предельно допустимый износ или допустимое смещение центра вала в направлении действия нагрузки; е - радиальный зазор в подшипнике; 1И1 и 1И2 - средние значения интенсивностей изнашивания материала вала и втулки в условиях работы подшипника; 51 и s2 - путь трения скольжения вала и втулки за один оборот подвижного элемента; п - частота вращения.
Существенное значение имеет место нанесения антифрикционного покрытия - на подвижный элемент или неподвижный, на оба элемента. Нанесение покрытия на подвижный элемент подшипника предопределяет в п/ф0 раз меньший путь трения по сравнению с путем трения
неподвижного элемента подшипника. Названное обстоятельство необходимо иметь в виду при решении задачи оптимизации и технологии подшипника скольжения.
Для пары вал-втулка при нанесении антифрикционного слоя на подвижный элемент (вал) для стационарной по величине и направлению нагрузки вышеуказанная формула может быть приведена к виду [2]:
Ь _ Р И ]
Фо • V ’
где [Ив] - предельно допустимый износ вала; ^ - скорость скольжения в контакте.
Интенсивная эксплуатация судовых подшипников скольжения приводит к повышенному износу их поверхностей, значительным энергозатратам на преодоление сил трения и даже их заклиниванию, поэтому для обеспечения работы этих узлов трения применяются различные типы смазок. Однако смазывающие жидкости только тогда смогут выполнять предназначенную им роль, когда обеспечено их постоянное положение в зоне трения или подача смазывающих жидкостей в зону трения.
Общая характеристика противоизносной магнитной присадки
На практике используются различные магнитоуправляемые наножидкости или магнитные жидкости (МЖ) - материалы, в которых ферромагнитные частицы имеют малый размер (порядка 5100 нм) и при наложении неоднородного магнитного поля образуют пространственную структуру.
Была разработана присадка в масло с находящимися в ней мицеллами на основе молекул твердой пластичной смазки оксида железа (Бе304) с окружающими ее молекулами олеиновой кислоты (С18Н34О2) [3], применение которой приводит к повышению смазочной способности масел.
Присадка представляет собой МЖ с добавленными в нее мицеллами, включающими в себя оксид железа и олеиновую кислоту. Молекулы олеиновой кислоты адсорбируются на поверхности магнетита в результате процесса хемосорбции. Оксид железа, входящий в мицеллу, характеризуется низким сопротивлением сдвигу и является пластической смазкой, уменьшающей коэффициент трения и интенсивность изнашивания поверхностей в местах их соприкосновения. Молекулы олеиновой кислоты, входящие в состав мицелл, предотвращают их слипание и обеспечивают возможность их нахождения во взвешенном состоянии в жидкости. Оксид железа Бе304 (магнетит) имеет следующие характеристики: молекулярная масса 231,54; цвет - темнокрасный; плотность 5,11 г/см3. Олеиновая кислота СН3(СН2)7СН = СН(СН2)7СООН представляет собой бесцветную жидкость с температурой кипения 286 °С и плотностью 0,9 г/см3. Длина молекулы олеиновой кислоты 2 нм. Средняя величина мицеллы составляет 10 нм. Намагниченность насыщения порядка 10 кА/м. Присадка предназначена для работы в слабых магнитных полях £«1, где £ - функция Ланжевена Ь(£) с напряженностью магнитного поля 20-40 кА/м. Основа мицеллы представляет собой молекулы твердой пластичной смазки оксида железа, а окружающие молекулы являются молекулами олеиновой кислоты с содержанием веществ в присадке, % мас.: Бе3О4 - 0,00001, С18Н34О2 - 0,0001, дизельное топливо - до 100.
Следует учесть, что при воздействии неоднородного магнитного поля концентрация феррочастиц в некотором слое МЖ, перпендикулярном направлению магнитного поля, различна и определяется известным выражением:
где Су - концентрация феррочастиц в отсутствие магнитного поля; ц0 - магнитная проницаемость вакуума; е - характерный размер; кТ - постоянная Больцмана; т - магнитный момент феррочастицы.
Неоднородность концентрации феррочастиц приводит к изменению реологических свойств МЖ в объеме. Большинство электромагнитных устройств с МЖ работает при неравномерном магнитном поле, поэтому в зоне наибольшей напряженности магнитного поля образуются кластеры или цепочки из частиц магнетита и С достигает наибольшего значения:
где п - число частиц в единице объема; I - толщина адсорбционной оболочки; г - радиус феррочастицы.
Наличие предела текучести в МЖ оказывает значительное влияние на ее работу в электромагнитных устройствах.
Так, в магнитожидкостных уплотнениях (МЖУ) вращающихся валов величина предела текучести определяет удерживаемый перепад давлений в статике, т. е. когда уплотняемый вал неподвижен, и величину момента трения при страгивании Мстр.
Оборудование для исследования смазочных свойств присадки
Испытания материалов на трение и износ проводились на машине 2070 СМТ-1.
Машина для испытания материалов на трение и износ 2070 СМТ-1 предназначена для испытания материалов на трение и износ, для анализа масла; для изучения процессов трения и износа металлов, сплавов и жестких конструкционных пластмасс. Машина предназначена для работы в помещениях лабораторного типа.
Принцип действия машины заключается в истирании пары образцов, прижатых друг к другу силой Р. В процессе работы на нижнем образце измеряют момент трения.
Истирание образцов проводилось по схеме «вал-втулка». Применение магнитной присадки позволило уменьшить интенсивность изнашивания в 1,5-3 раза в зависимости от марки масла, нагрузки и температуры в зоне трения.
Для совершенствования присадок данного типа и создания новых были разработаны и запатентованы устройства [4-6], оценивающие смазочную способность углеводородных жидкостей с учетом влияния физических параметров магнитного поля на эффективность работы применяемых присадок: трибометры с постоянным магнитом и трибометр с переменным электромагнитным полем (рис. 1, 2).
4 2
СуП = -П(г +1) • п ,
Рис. 1. Конструкции трибометров с постоянными магнитами
А-А
Рис. 1. Окончание
3
Созданный комплекс приборов дает возможность исследовать и совершенствовать проти-воизносные свойства магнитных противоизносных присадок.
Применение запатентованной противоизносной магнитной присадки с использованием нанотехнологий дает возможность получить смазывающую жидкость с низким коэффициентом трения, обладающую металлоплакирующим эффектом. Наращиваемый слой магнитных частиц на поверхности дает возможность уменьшать не только напряжение сдвига в поверхностном слое, но одновременно уменьшать и зазор между сопрягаемыми поверхностями.
Выводы
1. Проводилось моделирование изнашивания на машине 2070 СМТ-1 применительно к изнашиванию пары трения «вкладыш-цапфа» для подшипника скольжения судового валопровода.
2. Впервые в смазку была добавлена противоизносная присадка на магнитной основе.
3. Разработаны и запатентованы устройства, дающие возможность совершенствовать противоизносные присадки на магнитной основе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаращенко П. А. Повышение работоспособности и монтажной технологичности судовых валопрово-дов // Наука - производству. - 2001. - № 4. - С. 14-15.
2. Подшипники скольжения в экстремальных условиях / Ю. Н. Дроздов, А. В. Безносов, В. В. Макаров и др. // Материалы XVI Междунар. семинара «Технологические проблемы прочности». - Подольск, 26-27 июня 2009. - С. 46-56.
3. Пат. № 2276681 РФ, МПК С10Ь 1/18. Противоизносная присадка / Перекрестов А. П., Сычева А. А. № 2004132806/04; заявл. 10.11.2004; опубл. 20.05.2006, Бюл. № 14.
4. Пат. РФ № 72069, МПК 00Ш 3/56 (2006.01). Трибометр / Перекрестов А. П. № 2007140301; заявл. 30.10.2007; опубл. 27.03.2008, Бюл. 9.
5. Пат. № 70579 МПК 00Ш 3/56 (2006.01). Трибометр / Перекрестов А. П., Чанчиков В. А. -№ 2007130186; заявл. 06.08.2007; опубл. 27.01.2008, Бюл. № 3.
6. Пат. РФ № 2348025, МПК 00Ш 3/56 (2006/01). Устройство для определения эффективности проти-воизносных магнитных присадок / Перекрестов А. П., Чанчиков В. А. № 2007130137/28; заявл. 06.08.2007; опубл. 27.02.2009, Бюл. № 6.
Статья поступила в редакцию 8.07.20010, в окончательном варианте - 10.09.2010
ON INCREASE OF LIFETIME OF SHIP’S PROPELLER SHAFT
A. P. Perekrestov, V. A. Chanchikov
Application of metal-plating anti-wear additives is regarded as one of the most promising areas to reduce wear and tear of friction couplings, including the work of the propeller shaft of the vessel. During the studies the patented metal-plating anti-wear additive on the magnetic base was first added into the grease. Application of magnetic additive has reduced the wear rate in 1,5-3 times, depending on the brand of oil, load and temperature in the friction zone. To improve the additives of this type and the creation of new there were developed and patented the devices, evaluating the lubricity of hydrocarbon liquids, taking into account the effect of physical parameters of the magnetic field on the efficiency of the additives: a tribometer with a permanent magnet and a tribometer with alternating electromagnetic field.
Key words: propeller shaft, lifetime increase, metal-plating anti-wear additive on the magnetic base, tribometer.
