Вероятностно-статистическое прогнозирование усталостной прочности и долговечности валопроводов судовых дизельных установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Хтоо Наинг Аунг

• Хтоо Наинг Аунг
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Хтоо Наинг Аунг

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1. СТЕПЕНЬ РАЗРАБОТАННОСТИ ТЕМЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАЧ ИСЛЕДОВАНИЯ

1.1. Назначене состав и особенности конструкции судового валопровода

1.2. Анализ статистических данных по отказам судовых валопровода

1.3. Требования к проектным расчетам судовых валопровода

1.4. Условия к проектным расчетам судовых валопровода

1.5. Основы расчета судового валопровода на прочность

1.6. Гипотезы накопления повреждений при действии циклических напряжений

1.7. Прогнозирование остаточной долговечности деталей с трещтной

1.8. Анализ статистических данных по отказам судовых валопроводов

РАЗДЕЛ 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ СУДОВЫХ ВАЛОПРОВОДОВ

2.1. Общие сведения о методах расчета прочности

2.2. Особенности определения характеристик усталостной прочности конструкционных материалов

2.3. Теоретические положения расчета судового валопровода на выносливость

2.4. Определение минимально допустимого коэффициента запаса прочности при на выносливось

2.5. Определение вероятности работы детали без усталостного разрушения

2.6. Проядок расчета деталей на выносливость

РАЗДЕЛ 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СУДОВЫХ ВАЛОПРОВОДОВ ПО КРИТЕРИЮ УСТАЛОСТИ МААТЕРИАЛА

3.1. Специфика расчетного прогнозирования усталостной долговечности судового валопровода

3.2. Особенности и предпосылки расчетной оценки полной усталостной долговечности валов

3.3. Экспериментальное определение параметров кривой усталости

3.4. Расчетные зависимостидля прогнозирование полной долговечности судового валопровода

3.5. Учет нестационарного нагружения при расчета усталостной долговечности

3.6. Методические прнципы реализации имтационного моделирования

3.7. Программа прогнозирования полной долговечности судового валопрвода

3.8. Порядок расчетного прогнозирования полной долговечности судового валопровода

РАЗДЕЛ 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ МИКРОТРЕЩИНЫ И ЕЕ РАЗВИТИЯ ДО КРИТИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ

4.1. Этапы зарождения и развития усталостных трещин

4.2. Определение длительности первого этапа усталости конструкционных материалов

4.2.1. Физика зарождения усталостных трещин

4.2.2. Закономерности перехода от макродефекта к устолотной микротрещины

4.3. Особенности практического определения остаточной долговечности судовых валов с трещинами

4.3.1. Коэффициент интенсивности напряжений - основополагающее понятие линейной механики разрушения

4.3.2. Определение коэффициента интенсивности напряжений для гребного вала

4.3.3. Алгоритм прогнозирования роста трещины и остточной долговечности вала с трещиной

4.4. Выводы по четвертному разделу

РАЗДЕЛ 5. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВАЛОПРОВОДОВ КРУПНОТОННАЖНЫХ МОРСКИХ СУДОВ

5.1. Задачи расчетного исследования гребных валов

5.2. Прогнозирование прочности и долговечности гребного вала валопровода судна проекта ВС

5.2.1 Общие сведения о судне

5.2.2 Расчеты прочности и долговечности

5.2.3 Прогнозирование остаточной долговечности гребного вала

5.2.4 Оценка допустимости крутильных колебаний валопровода

5.3. Прогнозирование прочности и долговечности гребного вала валопровода траулера проекта СТ-192

5.3.1. Общие характеристика траулера

5.3.2. Результаты расчетов усталостной прочности и долговечности

5.3.3. Расчет крутильных колебаний валопровода траулера проекта СТ-192

5.4. Прогнозирование прочности и долговечности гребного вала валопровода фрегата проекта F-11

5.4.1 Общие сведения о фрегате проекта F

5.4.2 Результаты прогнозирования усталостной прочности и долговечности

5.4.3 Расчет крутильных колебаний валопровода фрегата F

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПРОГРАММА РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ СУДОВЫХ ГРЕБНЫХ ВАЛОВ МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ПРОГРАММА РАСЧЕТА КРУТИЛЬНЫХ И ОСЕВЫХ КОЛЕБАНИЙ СУДОВЫХ ВАЛОПРОВОДОВ МАТРИЧНЫМ МЕТОДОМ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вероятностно-статистическое прогнозирование усталостной прочности и долговечности валопроводов судовых дизельных установок»

ВВЕДЕНИЕ

Одним из элементов судовой пропульсивной установки является валопровод. Его часто представляют в виде нескольких соединенных между собой валов и рассматривают как промежуточное звено, передающее крутящий момент от двигателя гребному винту и упор от винта корпусу судна. Указанные функции определяют предназначение валопровода, его главные целевые задачи. Вместе с тем, судовой валопровод играет решающую роль в работоспособности всего движительного комплекса.

Конструктивная простота валопровода - кажущуюся. Длительный опыт эксплуатации судов свидетельствует о том, что до сих пор наблюдаются поломки валов и часты случаи обнаружения усталостных трещин в гребных валах. При этом более 90% повреждений гребных валов приходится на их кормовые участки, т.е. участки, непосредственно примыкающие к гребному винту. Количество повреждений и аварий гребных валов возрастает с увеличением их диаметров. Нарушение работоспособности валопровода приводит к снижению скорости судна и даже полной потери хода, а в худшем случае может быть причиной аварийной ситуации с потенциальной угрозой для жизни экипажа и судна в целом. Ремонты валопровода связаны с большими экономическими потерями, которые определяются необходимостью вывода судна из эксплуатации и постановки его в док.

Изложенное выше свидетельствует о значимости судового валопровода и о том, что он относится к числу наиболее ответственных и напряженных узлов пропульсивной установки. Поэтому конструкция валопровода должна гарантировать заданную прочность и долговечность. Данные гарантии возможны только при наличии надежных расчетных методик, которые необходимо создавать практически заново. В конечном итоге их наличие позволит повысить безотказность всей установки и сделать более безопасной эксплуатацию судна. Во многом это определяет актуальность работы.

Существующие подходы к проектированию судовых валопроводов строго регламентированы правилами классификационных обществ. Эти правила

определяют требования к диаметрам валов, их конструктивным особенностям, фланцевым соединениям, месту размещения подшипников, крутильным колебаниям и т.д. Считается, что выполнение этих требований является достаточным условием для обеспечения безаварийной эксплуатации валопровода.

Однако корректнее оценивать качество проектных решений с позиции прочности и долговечности. Для этого имеются все предпосылки. Во-первых, это общепринятый и экспериментально подтвержденный механизм усталостного разрушения металлов, базируясь на котором С.В.Серенсен и Р.С.Кинасошвили получили формулы, позволяющие рассчитывать машиностроительные детали на усталость по коэффициентам запаса прочности. Во-вторых, это общеизвестная гипотеза линейно суммирования повреждений Пальмгрена-Майнера, откорректированная В.П.Когаевым с целью получения правдоподобных долговечностей при циклическом нагружении. В-третьих, это механика разрушения твердых тел, начальные положения которой сформулированы в работах А.Гриффитса и А.Ф.Иоффе и которые составили основу для оценки прочности и долговечности деталей машин с трещиной.

Дальнейшее уточнение представлений об усталости материалов нашло отражение во многих исследованиях, наиболее значимые результаты приведены в трудах С.В.Серенсена. В.П.Когаева, Н.А.Махутова, Е.М.Морозова, В.Т.Троценко, В.С.Ивановой, J.F.Collins. Отдельные вопросы работоспособности судовых валопроводов изложены в работах С.Ф. Абрамовича, В.А.Мамонтова, В.А.Меркулова, В.К Румба, J.P Gallagher. Среди исследований, приближенных к заявленной теме, следует выделить работу Е.М.Пасуманского, в которой предлагается вероятностный метод расчета прочности гребных валов. Крутильные колебания в виде самостоятельной задачи прочности валопроводов всесторонне изучены в работах В.П. Терских, П.А. Истомина, В.В. Алексеева, Л.В Ефремова, М.Н. Покусаева, К.О. Сергеева, С.Е. Чернова, M.M. Горбачева, С.А. Худякова, В.К. Румба.

Цель исследования - обеспечение безотказной эксплуатации судовых пропульсивных установок за счет прогнозирования прочности и долговечности валопроводов на этапе их проектирования.

Задачи исследования, их решения направлены на достижения указанной цели:

1. Выполнить анализ и обосновать возможность расчета прочности судового валопровода на выносливость с учетом рассеивания характеристик прочности материала и действующих напряжений.

2. Разработать методику расчетной оценки долговечности валопровода при усдовии многорежимности его нагружения и стационарности действующих напряжений.

3. Оценить влияние нестационарности нагружения на усталостную долговечность валопровода.

4. Провести усталостные испытания стандартных стальных образцов с целью уточнения параметров кривой Велера.

5. Создать математическую модель для прогнозирования начальной и конечной стадий роста усталостной трещины.

6. Произвести проверку работоспособности предлагаемых методических положений на примере расчета прочности и долговечности валопроводов конкретных судов.

Методы исследования. Поставленные задачи решались с привлечением теоретических и экспериментальных методов исследования. В теоретических исследованиях использовались имитационное моделирование, теории вероятности и прочности, основные положения математической статистики и механики разрушения, а также стандартные возможности программы MS Excel, алгоритмических языков Python и Pascal. Экспериментальные исследования заключались в усталостных испытаниях стандартных стальных образцов и последующей статистической обработке полученных результатов.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- разработан алгоритм и написана программа расчета прочности и

долговечности судовых валопроводов при действии циклических напряжений;

- получены аппроксимирующие зависимости для показателей кривой усталости (кривая Велера);

- решена вероятностная задача по оценке влияния нестационарного нагружения на долговечность валопровода;

- предложены методики прогнозирования длительности начала образования усталостной трещины и конечной стадии ее роста.

Теоретическая значимость работы определяется адаптацией общей методологии прогнозирования усталостной прочности и долговечности к практической сфере расчета судовых валопроводов, что позволяет на этапе их проектирования предсказать с заданной вероятностью возможные поломки и трещины.

Практическая значимость выполненных исследований заключается в том, что их результаты позволяют более качественно оценивать проектные решения судовых валопроводов за счет:

- перехода от статических расчетов прочности к расчетам на выносливость, которые учитывают усталость - самым распространенный вид разрушения стальных деталей;

- определения долговечности вала не косвенно через запас прочности, а непосредственно, выражая ее в конкретных часах работы;

- рассмотрения прочности и долговечности вероятностными величинами, их стохастичность обусловлена большим количеством факторов, влияющих на процессы зарождения и развития усталостных трещин.

Положения, выносимые на защиту:

- алгоритмы определения расчетного и минимально допустимых коэффициентов запаса прочности при расчете валопровода на выносливость;

- методические положения прогнозирования долговечности судового валопровода при его детерминированном и стохастическом нагружениях;

- методика определения остаточной долговечности вала с начальной трещиной.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается:

- корректным использованием известных теоретических моделей и гипотез, описывающих процессы усталости металла;

- применением метода математической статистики для обработки результатов, полученных экспериментальным путем и с помощью имитационного моделирования;

- адекватными результатами расчетов валопроводов трех судов. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из

введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 223 страниц, который включает 54 рисунков, 20 таблиц. Список литературы насчитывает 96 наименований. Приложение на страницах содержит подробные расчеты прочности, долговечности и крутильных колебаний валопроводов трех реальных судов.

РАЗДЕЛ 1. СТЕПЕНЬ РАЗРАБОТАННОСТИ ТЕМЫ И

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАЧ ИСЛЕДОВАНИЯ

1.1. Назначение состав и особенности конструкции судового валопровода

Валопровод является элементом судового движительно-двигательного комплекса, посредством которого обеспечивается движение судна. В данном комплексе валопровод выполняет роль промежуточного звена: он соединяет в единое целое главный двигатель с движителем, через его осуществляется передача гребному винту крутящего момента, развиваемого двигателем. Кроме передачи крутящего момента валопровод воспринимает упор от гребного винта и передает его упорному подшипнику, а от него - на корпус судна. Указанные функции определяют предназначение валопровода и его главные целевые задачи.

Конструктивно судовой валопровод состоит из отдельных валов, соединенных друг с другом цилиндрическими фланцами, рисунок 1.1. Дополнительно в систему валопровода входят дейдвудное устройство, упорный и опорные подшипники, муфты, механизм изменения шага гребного винта, системы, обслуживающие работу валопровода, тормоз, токосъемное устройство, валоповоротный механизм и ряд других деталей. При этом некоторые из перечисленных элементов могут не входить в состав валопровода, а принадлежать главному энергетическому оборудованию, например, в судовых дизельных установках упорный подшипник встраивается непосредственно в двигатель или редуктор. В полной мере это относится и к валоповоротному механизму, который поставляется вместе с дизелем или редуктором. Самотормозящие валоповоротные устройства выполняют функции тормоза, удерживающего валопровод от проворачивания во время ремонтных работ. Токосъемное устройство предназначено для ослабления действия электрохимической коррозии гребного вала.

2 11 12 13

Рисунок 1.1 - Конструкции судового валопровода

1 - гребной винт; 2 - гребной (дейдвудный) вал; 3 - дейдвудная труба; 4 -уплотнение гребного вала; 5 - опорные подшипники линии вала: 6 - фланцевые соединения валов; 7 - тормоз линии вала; 8 - переборочное уплотнение; 9 -главный упорный подшипник; 10 - главная муфта; 11 - промежуточные валы; 12 - проставочный вал; 13 - упорный вал.

Валы, входящие в состав судового валопровода, подразделяют на гребные, дейдвудные, промежуточные, упорные и проставочные [53]. Гребной вал служит местом крепления гребного винта. Способ крепления определяется конструкцией винта. Винт фиксированного шага (ВФШ) соединяется с валом посредством конической посадки, редко со шпонкой, чаще без нее. Крепление винта регулируемого шага (ВРШ) осуществляется при помощи фланцевого соединения. В этом случае на кормовом торце гребного вала предусматривается цилиндрический фланец, а носовому торцу придают коническую поверхность для напрессовки съемной полумуфты. Гребные валы судов с ВРШ имеют внутреннюю центральную расточку для прохода штанги механизма поворота лопастей или подачи к нему масла, если этот механизм располагается в ступице винта.

Для выхода гребного вала наружу, для его опоры и уплотнения служит дейдвудное устройство. Если смазка дейдвудных подшипников осуществляется водой, то гребные валы вынуждены гидроизолировать за счет облицовки, которую напрессовывают на вал. Сплошные облицовки на всю длину вала считаются предпочтительными по сравнению с теми, которые покрывают только шейки вала, образующие дейдвудные подшипники. В этом случае участки вала между облицовками защищают от соприкосновения с водой

гидроизоляционным материалом. Гребные валы, работающие в дейдвудных подшипниках с масляной смазкой, не имеют облицовки, соответственно они обладают лучшей технологичностью. Объем применения таких подшипников на судах постоянно увеличивается.

Количество промежуточных валов зависит от длины валопровода и производственных возможностей. Фланцы этих валов изготавливают как заодно с валом, так и отдельно в виде съемных полумуфт. В последнем варианте полумуфту напрессовывают на конец вала, которому придают коническую форму. Соединение фланцев осуществляется плотно пригнанными цилиндрическими болтами. Проставочный вал (вал-проставка) упрощает монтаж валопровода на судне, так как он выполняет роль компенсирующего звена всего валопровода. Благодаря ему удается унифицировать технологию изготовления промежуточных валов. Совершенствование проектных и монтажных работ позволяет в отдельных случаях отказаться от проставочного вала.

1.2. Анализ статистических данных по отказам судовых валопроводов

Из предыдущего может сложиться впечатление, что судовой валопровод по причине конструктивной простоты мало влияет на работоспособность всего движительно-двигательного комплекса. В действительности, нарушение работоспособности валопровода резко ухудшает эксплуатационные показатели судна и в отдельных случаях даже вызывает аварийные ситуации с угрозой для жизни экипажа и судна в целом. Подтверждением этому служат статистические данные об аварийности на судах и поломках судовых валопроводов.

Так, по данным, предоставленных ФАУ «Российский речной регистр» (в настоящее время - ФАУ «Российское классификационное общество») в период с 2010 по 2019 г. зафиксировано 838 случаях повреждений судов и их элементов, из которых 114 повреждений приходится на судовые валопроводы [26, 81]. Отказы судовых валопроводов, включая их поломки, ежегодно составляют в среднем 13 % от общего числа повреждений судов (рисунок 1.2).

При этом имеется тенденция их роста что ожидаемо, поскольку для современных судов характерны повышенное водоизмещение и увеличенные мощности их главных двигателей. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему росту нагрузок на валопроводы.

Рисунок 1.2 - Статистические данные об отказах валопроводов

Анализ аварийности на судах класса Российского морского регистра судоходства свидетельствует: отказы валопроводов составляют 18 % от общего числа аварий пропульсивного комплекса судна, а количество аварий пропульсивного комплекса судна достигает 10 % от общего числа аварийных случаев на судах [81]. Подобная статистика от «Council of Canadian Academies» говорит о 27,8% отказов главных механизмов судна, а по данным агентства «European Maritime Safety Agency» процент отказов этих механизмов составляет 29 [41]. О еще большем числе отказов судовых пропульсивных установок сообщает Управление государственного морского и речного надзора. Согласно Ространснадзора РФ доля данных отказов превышает 33% [16].

Приведенные выше статистические данные об аварийных случаях, приводящих к потере хода и управляемости судна, связаны в основном с отказами элементов пропульсивного комплекса [38]. Диаграмма на рисунке 1.3 позволяет судить о уровне надежности каждого такого элемента в отдельности.

12% 18% □ Отказ главного двигателя Н Отказ редуктора И Отказ валопровода И Отказ гребного винта Ш Отказ рулевого устройства

Рисунок 1.3 - Распределение отказов по элементам пропульсивного

Комплекса

Среди отказов судовых валопроводов доминируют чрезмерные износы дейдвудных подшипников и недопустимые усталостные трещины и разрушения валов. Ежегодно мировыми классификационными обществами фиксируется около 200 сообщений о поломках и трещинах в гребных валах при эксплуатации крупнотоннажных судов. При этом отмечается, что более 90% разрушений гребных валов происходит в районе большого диаметра основания конуса [38, 53], а основными причинами повреждений являются коррозия и усталостные трещины [12, 13]. Наиболее опасными повреждениями в валах являются усталостные трещины [31]. В некоторых случаях развитие трещин сопровождалось наличием коррозионных язв глубиной до 7 мм. В работе [38] приведены результаты выбраковки гребных валов в эксплуатации: 66 % гребных валов имели трещины в районе носового конца кормовой облицовки, 13% - у кормового конца носовой облицовки.

Систематическое изучение причин повреждения гребных валов началось примерно с 1925г. По данным доклада Дори (инспектора Регистра судоходства Ллойда), опубликованного в 1935 г. из 46478 гребных валов, обследованных за десятилетие, было забраковано из-за глубоких трещин 1483, а 204 вала сломались [12]. Таким образом, число валов, подлежащих замене, составило

3,63 % от числа осмотренных. Основной причиной выхода валов из строя была признана коррозионная усталость.

По данным Германского Ллойда только в 1938г. произошло 229 отказов гребных ва-лов, из них 73 вала сломалось [5]. При этом учтены лишь те аварии, которые имели тяже-лые последствия, связанные с необходимостью оказания помощи судну в море. Подавляющее большинство обнаруженных усталостных трещин развивалось у большого основания конуса гребного вала и шпоночного паза. Средний срок службы обследованных морских судов составлял 3,5-7 лет.

На судах типа «Либерти» к 1949г. причиной аварий гребных валов признано распо-ложение критической зоны крутильных колебаний 3-го порядка вблизи зоны проектной эксплуатационной частоты вращения главного двигателя. Отмечалось, что нагружение гребных валов существенно увеличивалось при ходе судна в балласте (недостаточное погружение винта) и оголение винта при плавании в штормовых условиях, сопровождающемся частыми резкими ускорениями двигателя. Было рекомендовано ограничение частоты вращения ГД, применение гребных винтов с измененными пропульсивными и инерционными характеристиками, установка массив-ных маховиков ГД, промежуточных валов увеличенного диаметра [5].

Статистические данные Регистра Судоходства Ллойда (1960г.) свидетельствуют о том, что в те годы ежегодно браковались 3,5 % всех гребных валов, находящихся в эксплуатации.

По данным Норвежского бюро Веритас (1962 г.) трещины на ва-лах танкеров встречались примерно в 4 раза чаще, чем на валах сухогрузных судов, что объяснено в первую очередь большим коэффициентом полноты корпуса у нефте-наливного судна и, следовательно, большими значениями изгибающего момента от внецентренного приложения упора. Валы с увеличенными диаметрами в расчете на ледовые ус-ловия плавания разрушались реже.

Примерно в те же годы было множество примеров обнаружения

усталостных трещин в гребных валах [42]. Так, на танкере типа «Прага» после 28 месяцев эксплуатации была обнаружена сквозная трещина. На танкере «Пекин» трещина была обнаружена после двухлетней эксплуатации. Необходимо отметить, что при этом наблюдалось поражение поверхности вала сильной коррозией, глубина коррозионных язв доходила до 7 мм. Статистический анализ данных по архивам ФГУ «Российский морской регистр судоходства» (РМРС), проведенный Е.С. Райнбергом и Д.Е. Искрицким [30], показал, что наибольшее число разрушений гребных валов наблюдались в районе большого диаметра конуса (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Места повреждений гребных валов В американском торговом флоте также наблюдался частый выход из строя гребным валов, в основном, из-за трещин в районе большого основания конуса особенно многочисленными были случаи растрескивания у переднего конца шпоночного паза, распространявшихся по окружности у кормового конца облицовки.

Японским классификационным обществом было забраковано более 6,5 процента гребных валов из 2800, осмотренных в течение 8 лет. Причинами были усталостные трещины от изгиба, в основном, в районе большого

основания конуса, и от знакопеременного кручения, характерные признаки которого - х-образные трещины, распространявшиеся под углом 45° к оси [12].

Заслуживает внимания также анализ более 450 дефектно-технологических ведомостей Астраханских судоремонтных заводов за период с 2010 по 2020 г. Согласно этим ведомостям в ходе аварийного и планового докового ремонта среднетоннажных судов проектов 507, 1565, 05074М были обнаружены кольцевые трещины на кормовой шейке гребных валах глубиной более 4 мм. Основной причиной образования трещин стала наплавка, которая производилась вместо ранее насаженных облицовок [38]. При этом места разрушений вала различались: в средней части вне зоны наплавки, в районе носовой бронзовой облицовки, в зоне наплавки, у кормового торца кормовой облицовки и в зоне кормовой шейки. Сообщается, что из всех случаев выявления дефектов в 5 % случаев гребные валы ремонту не подлежат. При обнаружении трещин на поверхности вала 62 % валов было заменено, 38 % валов - подверглись операциям ремонта. При трещинах в облицовке большая часть (около 70 %) валов была отремонтирована.

В работе [9] приведена общая классификация трещин при разрушении валов по их расположению: под углом 45° к оси вала, вдоль оси вала и поперек оси вала. Помимо этого, определены варианты характерного расположения трещин и изломов согласно результатам исследований причин поломок гребных валов. Результаты этих исследований можно классифицировать так:

- трещины проходят под углом около 45°. Причины разрушения -ударные или вибрационные нагрузки при кручении. Сложная винтовая поверхность излома вала соответствует максимальным касательным напряжениям при его кручении;

- трещины расположены под углом около 90° к оси вала с ясно выраженной зоной долома. Причины разрушения - вибрации и ударные нагрузки гребного вала при его изгибе. В большей части случаев в плоскости поперечных разрушений имелись концентраторы напряжений: стыки, галтели,

раковины и поры;

- трещины расположены под углом около 25° к оси вала. Поломки такого рода сопровождались потерей части гребного вала с винтом. Причины разрушения - низкие механические свойства материала вала и производственные дефекты при поверхностной наплавке.

Анализ статистических данных о повреждениях гребных валов позволяет дать общую картину расположения трещин в порядке частоты их возникновения: непосредственно в теле вала, в шпоночном пазе и у отверстий для крепления шпонки, в месте перехода вала из конуса в цилиндр кормовой оконечности, у носовых и кормовых кромок облицовок, в сварных швах и околошовных зонах облицовок. В качестве основной причины возникновения повреждений гребных валов указаны усталостные и коррозионно-усталостные процессы [53, 77]. Среди усталостных причин выделяют прежде всего переменное напряженно-деформированное состояние, которое обусловлено: во-первых, консольным закреплением гребного винта, которое при его вращении вызывает в вале знакопеременные напряжения от деформации изгиба, во-вторых, действием переменного крутящего момента, развиваемого двигателем и воспринимаемого валом, в-третьих, периодически изменяющимися гидродинамическими изгибающим моментом и упора, которые являются следствием работы гребного винта вблизи корпуса судна, и, в-четвертых, напряжениями от крутильных, осевых и изгибных колебаний.

Из опубликованных данных следует: на характер, размер дефектов и частоту их проявления оказывает влияние диаметр гребных валов. Наиболее подвержены к образованию трещин в облицовках имеют валы диаметром от 100 до 200 мм, а трещины в теле вала характерны для валов диаметром от 200 до 400 мм. Сведений о повреждениях валов диаметром более 400 мм очень мало, однако есть все основания считать, что количество повреждений валов диаметром от 400 и более растет. Косвенным подтверждением этому служат систематические усталостные трещины и поломки гребных валов упомянутых выше крупнотоннажных транспортных судов типа «Прага». «София»,

«Ленинский комсомол» постройки 60-х годов [1, 42].

Приведенный выше статистический анализ по отказам судовых валопроводов является подтверждением актуальности темы диссертации. Разумеется, данный анализ не претендует на всеобщий обхват всех публикаций, посвященных данной теме. Однако все просмотренные нами работы заслуживают уважения, поскольку связаны с известными сложностями сбора, систематизации и анализа данных о поломках и повреждениях валопроводов, сведения о которых относятся к разным периодам времени, эксплуатации, типам судов и содержатся в различных источниках. В некоторых отчетах сообщается о наличии трещин гребных валов, но не приведены сведения о причинах и местах их образования. В этих условиях трудно систематизировать все встречающиеся в эксплуатационной практике повреждения и поломки судовых валопроводов. Возможно, в настоящей главе предпринята первая попытка систематического изложения проблемы надежной работы валопровода - одного из наиболее нагруженного и ответственного элемента судовой пропульсивной установки. 1.3. Требования к проектным расчетам судовых валопроводов

Хотя судовой валопровод занимает промежуточное положение между главным двигателем и гребным винтом от его работоспособности во многом зависит надежность всей пропульсивной установки. По этой причине все классификационные общества, включая Российский морской регистр судоходства, разрабатывают специальные требования, выполнение которых в определенной мере обеспечивают условия для безопасной эксплуатации валопровода. Прежде всего эти требования касаются конструирования валопровода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хтоо Наинг Аунг, 2025 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Абрамович С.Ф., Меркулов В.А., Пахомов К.Н. Прочность валопроводов транспортных судов // Судостроение, 1977, №1, С. 35-39.

2. Арутюнян Р.А. Проблема усталости и вероятностные методы её решения // Вестник Российского фонда фундаментальных исследований. 2006. №2. 47-60 с.

3. Бадамшин И.К. От четырех к одному. Силы внутриатомного взаимодействия и прочности материалов: монография / И.К. Бадамшин. - М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2016. - 134 с.

4. Берендеев Н.Н. Сопротивление усталости. Основы: учебно-методическое пособие. / Н.Н. Берендеев - Нижний Новгород: ННГУ, 2010. - 65 с.

5. Б.В. Гольд. Прочность и долговечность автомобиля. Под ред. Б.В. Гольд. — М.: Машиностроение. 1974. — 328 с.

6. Биргер И.А., Шор Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шор, Г.Б. Иосилевич. - М.: Машиностроение, 1993. - 640 с.

7. Богданофф Дж. Вероятностные модели накопления повреждений / Дж. Богданофф, Ф. Козин. - М.: Мир, 1989. - 344 с.

8. Бичем К. Д. Микропроцессы разрушения / К. Д. Бичем. - М.: Мир, 1973. Т. 1 - С. 265-275.

9. Вахромеев, А.М. Определение циклической долговечности материалов и конструкций транспортных средств: методические указания / А.М. Вахромеев. - М.: МАДИ, 2015. - 64 с.

10. Владимиров, В. И. Физическая природа разрушения материалов /В. И. Владимиров. - М. : Металлургия, 1984. - 280 с.

11. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов. / В. Вейбулл - М.: Машиностроение. 1964. - 276 с.

12. Вейнгаартен А. М., Куприянова В. К., Розен М. П., Соколов Н. Н. Результаты обследования состояния гребных валов на судах // Технология судостроения, 1966. № 2. С. 31-38.

13. Виноградов С. С., Гавриш П. И. Износ и надежность винто-рулевого комплекса судов / С. С. Виноградов, П. И. Гавриш. - М.: Транспорт, 1970. - 232 с.

14. Волков Д.П. Надежность строительных машин и оборудования: учебное пособие / Д.П.Волков, С.Н.Николаев - М.: Высшая школа, 1979. - 400 с.

15. Глинка Н.Л. Общая химия / Н.Л. Глинка. - М-Л.: Химия, 1972. - 712 с.

16. Горбачев М.М., Покусаев М.Н., Сибряев К.О. Проектирование и разработка системы мониторинга крутильных колебаний судовых машинно-движительных комплексов. В сборнике 65-я Международной научно конференции Астраханского государственного технического университета. Материалы конференции. - Астрахань, 2021. С. 819 - 821.

17. ГОСТ 23.207-78. Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения. - М.: Изд-во стандартов, 1981. - 48 с.

18. ГОСТ 25.502-79. Расчеты и испытание на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. - М.: Изд-во стандартов, 1981. -50 с.

19. ГОСТ 25.504-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 81с.

20. ГОСТ 25.505-79. Расчеты и испытания на прочность, методы механических испытаний металлов, метод испытаний на малоцикловую усталость при термомеханическом нагружении. - М.: Изд-во стандартов, 1979, - 12 с.

21. ГОСТ Р 53965-2010 Контроль неразрушающий. Определение механических напряжений. Общие требования к классификации методов. -М.: Стандартинформ, 2011. - 4 с.

22. Гусев А.С. Сопротивление усталости и живучесть конструкций при случайных нагрузках / А.С.Гусев - М.: Машиностроение, 1989. - 248 с.

23. Горицкий В. М. Структура и усталостное разрушение металлов. / В. М. Горицкий, В. Ф. Терентьев. - М.: Металлургия, 1980 - 207 с.

24. Дарков А.В. Сопротивление материалов: учебник / А.В.Дарков, Г.С.Шпиро. - М.: Высшая школа, 1969. - 734 с.

25. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных / Н.Джонсон, Ф. Лион - М.: Мир, 1980. - 511 с.

26. Емельянов М. Д. Система компьютерного мониторинга технического состояния морских судов с оценкой рисков // Науч.-техн. сб. Рос. мор. регистра судоходства. 2008. № 31. С. 23-43.

27. Ефремов Л.В. Практика инженерного анализа надежности судовой техники/ Л.В.Ефремов - Л.: Судостроение, 1980. - 176 с.

28. Иванова В.С. Разрушение металлов / В.С. Иванова. - М.: Металлургия, 1979. - 168 с.

29. Иванова B.C. Природа усталости металлов / B.C. Иванова, В.Ф.Терентьев. - М.: Металлургия, 1975. - 456 с.

30. Искрицкий Д. Е., Рейнберг Е. С. Пути изменения требований Регистра СССР к расчету судовых валов на прочность // Судостроение, 1962. № 11. с. 5-24.

31. Искрицкий Д.Е. Строительная механика элементов машин: учебное пособие / Д.Е.Искрицкий - Л.: Судостроение, 1970. - 448с.

32. Камкин С.В. Эксплуатация судовых дизельных энергетических установок. Учебник / С.В.Камкин, И.В.Возницкий, В.Ф. Большаков и др. - М.: Транспорт, 1996. - 432 с.

33. Капур К. Надежность и проектирование систем / К.Капур, Л.Ламберсон - М.: Мир, 1980. - 606 с.

34. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени/ В.П. Когаев. - М.:Машиностроение, 1993. - 364 с.

35. Когаев В.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: справочник / В.П.Когаев, Н.А.Махутов, А.П.Гусенков - М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.

36. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение / Дж. Коллинз - М.: Мир, 1984. - 624 с.

37. Кольцун Ю.И., Хибник Т.А. Методика расчета периода роста усталостной трещины и ее графическое обобщение. // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета: сб.науч.трудов. - Самара, Самарский государственный аэрокосмический университет, 2009, №3(19). -с.70 - 79.

38. Кондратьев Н. Н. Характерное расположение трещин и изломов на валах и баллерах // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2004. № 1. С. 119-121.

39. Клевцов, Г. В. Механизмы разрушения металлических материалов и пластические зоны под поверхностью изломов / Г. В. Клевцов - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. - 159 с.

40. Мороз Л. С. Механика и физика деформаций и разрушения материалов / Л. С. Мороз. - Л. : Машиностроение, 1984 - 224 с.

41. Мак-Ивили А.Дж. Анализ аварийных разрушений / Пер. с анг. Э.М. Лазарева, И.Ю. Шкадиной. Под. ред. Л.Р. Ботвиной. - М.: Техносфера, 2010. -416 с.

42. Меркулов В. А., Пасуманский Е.М. Обеспечение прочностной надежности гребных валов транспортных судов. Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы повышения надежности изделий судовой техники» - Л.: Судостроение, 1978. - 3 с.

43. Мыльников В. В. Циклическая прочность и долговечность конструкционных материалов [Текст]: монография / В. В. Мыльников, О. Б. Кондрашкин, Д. И. Шетулов; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т - Н. Новгород: ННГАСУ, 2018. -177 с.

44. Нелинейные задачи динамики и прочности машин / Под ред. В.Л. Вейца. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1983. - 336 с.

45. Пестриков В.М. Механика разрушения твердых тел: курс лекций / В.М.Пестриков, Е.М.Морозов - СПб.: Профессия, 202.- 320 с.

46. Петинов С.В. Основы инженерных расчетов усталости судовых конструкций / С.В.Петинов - Л.: Судостроение, 1990. - 224 с.

47. Правила классификации и постройки морских судов. Часть УЦ. Механические установки. - СПб.: Российский морской регистр судоходства, 2023. - 69 с.

48. Ребиндер П.А., Щукин Е.Д. Поверхностные явления в твердых телах в процессах их деформации и разрушения // Успехи физических наук. 1972, т. 108, №9, с. 3-42.

49. Ратнер С.И. Разрушение при повторных нагрузках / С.И.Ратнер. - М.: Оборонгиз,1959. - 352 с.

50. Решетов Д.Н. Надежность машин: учебное пособие / Д.Н. Решетов, А.С. Иванов, В.З. Фадеев - М.: Высшая школа, 1988. - 238 с.

51. Ребиндер П.А., Щукин Е.Д. Поверхностные явления в твердых телах в процессах их деформации и разрушения // Успехи физических наук. 1972, т. 108, №9, с. 3-42.

52. Румб В.К. Прочность и долговечность судовых машин и механизмов: учебное пособие / В.К. Румб. - СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2014. - 237 с.

53. Румб В.К. Судовые валопроводы. Конструирование, расчеты прочности, износостойкости, долговечности: учебное пособие / В.К.Румб - Москва; Вологда: Инфра-Инженерия, 2025. - 404 с.

54. Румб В.К. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Конструирование, расчеты прочности, износостойкости и долговечности: учебное пособие / В.К. Румб. - Москва; Вологда: Инфра-Инженерия, 2021. - 460 с.

55. Румб В.К., Хтоо Наинг Аунг. Повышение точности прогнозирования усталостной долговечности деталей судовых машин и механизмов. // Материалы одиннадцатой международной научно-технической конференции. - СПб.: СПбГМТУ, 2022. - с. 133-137.

56. Румб В.К., Хтоо Наинг Аунг. Расчетная оценка усталостной долговечности судовых валопроводов. // Материалы двенадцатой

международной научно-технической конференции. - СПб.: СПбГМТУ , 2023. - с.

57. Румб В.К., Хтоо Наинг Аунг. Идеологические предпосылки перехода от расчетов прочности к прогнозированию долговечности судовых машин и механизмов // Морской вестник, № 1 (81), 2022.- с. 40 - 43.

58. Румб В.К., Хтоо Наинг Аунг. Определение остаточной долговечности деталей с трещинами судовых машин и механизмов // Морской вестник, № 1 (81), 2022. - с. 57- 62.

59. Румб В.К., Хтоо Наинг Аунг. Особенности прогнозирования остаточной долговечности деталей ДВС по критерию усталости материала // Двигателестроение, № (4, 0), 2019. - с. 24 - 28.

60. Румб В.К., Хтоо Наинг Аунг. Программа для расчета прочности и долговечности судовых валопроводов. // Материалы седьмой международной научно-технической конференции. - СПб., СПбГМТУ, 2018. - с. 136-140.

61. Светлицкий В.А. Случайные колебания механических систем / В.А.Светлицкий - М.: Машиностроение, 1991. - 320 с.

62. Серенсен С.В. Динамическая прочность в машиностроении: справочное пособие / С.В.Серенсен, И.М. Тетельбаум. - М-Л.: ОНТИ, 1940. - 376 с.

63. Серенсен С.В. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность: руководство и справочное пособие / С.В.Серенсен, В.П. Когаев, Р.М. Шнейдорович - М.: Машиностроение, 1975. - 488 с.

64. Сиратори М. Вычислительная механика разрушения /М.Сиратори, Т. Миеси, Х. Мацусита - М.: Мир, 1986. - 334 с.

65. Стрижало В.А. Циклическая прочность и ползучесть металлов при малоцикловом нагружении в условиях низких и высоких температур / В.А. Стрижало. - Киев: Наук. думка, 1978. - 241 с.

66. Терентьев В.Ф. Теория и практика повышения надежности и работоспособности конструкционных металлических материалов: учебное пособие / В.Ф. Терентьев, А.Г. Колмаков, Ю.А. Курганова. - Ульяновск: УлГТУ, 2010. - 268 с.

67. Терентьев В.Ф. Усталость металлов. / В.Ф. Терентьев, С.А. Кораблева -М.: Наука, 2015. - 479 с.

68. Терентьев В.Ф. Циклическая прочность металлических материалов: учебное пособие. / В.Ф. Терентьев, А.А. Оксогоев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. - 62 с.

69. Терентьев В.Ф., Орлов Л.Г., Пойда В.Г. Особенности протекания пластической деформации ОЦК металлов в области микротекучести // Пробл. прочности. 1972. №9. С. 34-37.

70. Троценко В.Т. Трещиностойкость металлов при циклическом нагружение /В.Т. Троценко, В.В. Покровский, А.В. Проконенко. - Киев: Наук. Думка, 1987. - 256 с.

71. Троценко В.Т. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Ч. 1. / В.Т. Троценко, Л.А. Сосновский. - Киев: Наук. думка, 1987. - 320 с.

72. Форрест П. Усталость металлов / П. Форрест. - М.: Машиностроение, 1968. - 352 с.

73. Фрост Н. Ф., Дагдейл Д. С. Распространение усталости трещины в листовых материалах. // Механика и физика твердого тела, № 6 (1958), с. 92110.

74. Фролова, О.А. Особенности разрушения конструкционных материалов при различных условиях нагружения [Электронный ресурс] : учебное пособие / О.А. Фролова; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ, 2019. - 91 с.

75. Хеллан К. Введение в механику разрушения / К. Хеллан. - М.: Мир, 1988

- 364 с.

76. Чегуров М.К., Сорокина С.А. Основы фрактографического анализа изломов образцов из конструкционных сплавов: учебное пособие/ М.К. Чегуров, С.А. Сорокина. - Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2018.

- 83 с.

77. Чура М. Н., Файвисович А. В. Эксплуатационные повреждения гребных валов // Трансп. дело России. 2011. № 11. С. 110-112.

78. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем - искусство и наука / Р.Шеннон - М.: Мир,1978. - 418 с.

79. Шишкин В.А. Анализ неисправностей и предотвращение повреждений судовых дизелей./ В.А. Шишкин. - М.: Транспорт, 1986. - 192 с.

80. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний: справочник / Л.М.Школьник - М.: Металлургия, 1978. - 304 с.

81. Шурпяк В. К., Сергеев А. А. Анализ аварийности на судах с классом регистра // Науч.-техн. сб. Рос. мор. регистра судоходства. 2005. № 28. С. 3346.

82. Щукин Е.Д., Савенко В.И., Малкин А.И. Влияние поверхностно-активной среды на механическую устойчивость и повреждаемость поверхности твердого тела. Обзор // Физикохимия поверхности и защита материалов, 2013, т.49, №1, с.44-61.

83. Cztry, L. Advanced turdochargtrs for high-performance supercharging systems [Текст] / H.Clotz, J. Ruck, U. Scymid // Hamburg. - CIMAC, 2001.

84. Dorey S. F. Marine Machinery Defects - Their Causes and Prevention. Transaction 1 // Marine Engineering. 1935. Vol. 47. N. 12. P. 19-26.

85. Juvinall, R.C. (1967) Engineering Considerations of Stress Strain and Strength. McGraw-Hill Book Co., New York.

86. Morrow J. D., Martin J. F., Dowling N. E. Local Stress-Strain Approach to Cumulative Fatigue Damage Analysis. - Final Report, T. & A. M. Report No. 379, Department of Theoretical and Applied Mechanics, University of Illinois, Urbana, January 1974.

87. Martin J. F., Topper T. H., Sinclair G. M. Computer Based Simulation of Cyclic Stress-Strain Behavior with Applications to Fatigue. - Materials Research and Standards, 11, No. 2 (February 1971), p. 23.

88. Milella P.P. Fatigue and Corrosion in Metal - Springer, 2013. 806 p.

89. Neuber H. Theory of Stress Concentration for Shear-Strained Prismatically Bodies with Arbitrary Nonlinear Stress-Strain Law. - Journal of Applied Mechanics, ASME Transactions, 28 (December 1961), p. 544-550.

90. Rice, J. R. Mechanics of crack tip deformation and extension by fatigue /

J. R. Rice // ASTM, Special Technical Publication. - 1966 - № 415 - P. 247-311.

91. Suresh S. Fatigue of metals. Cambridge University Press, 2006. - 701 p.

92. Stadnick S. J., Morrow J. Techniques for Smooth Specimen Simulation of the Fatigue Behavior of Notched Members.- Testing for Prediction of Material Performance in Structures and Components, STP-515, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1972, p. 229-252 .

93. Stadnick S. J. Simulation of Overload Effects in Fatigue Based on Neuber's Analysis.- T. & A. M. Report No. 325, Department of Theoretical and Applied Mechanics, University of Illinois, Urbana, 1969.

94. Suresh S. Fatigue of Materials. Cambridge University Press. 1998. p. 679.

95. Topper T. H., Morrow J.. Simulation of the Fatigue Behavior at the Notch Root in Spectrum Loaded Notched Members (U).- T. & A. M. Report No. 333, Department of Theoretical and Applied Mechanics, University of Illinois, Urbana, January 1970 (Final Report for Aero Structures Department, Naval Air Development Center).

96. Joseph P. Gallagher. USAF Damage Tolerant Design Handbook: Guidelines for the Analysis and Deign of Damage Tolerant Aircraft Structures. - AFRL- VA-WP-TR-2002-3002. - 2002.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПРОГРАММА РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ И

ДОЛГОВЕЧНОСТИ СУДОВЫХ ГРЕБНЫХ ВАЛОВ МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ПРОГРАММА РАСЧЕТА КРУТИЛЬНЫХ И

ОСЕВЫХ КОЛЕБАНИЙ СУДОВЫХ ВАЛОПРОВОДОВ МАТРИЧНЫМ МЕТОДОМ