В Обь-Иртышском, Енисейском и Ленском бассейнах широко распространены буксиры-толкачи проектов 1741А и Р-33Б, мощностью 600 л.с., где в качестве главных двигателей используются дизели модели 6NVD26-A3, производства ГДР. Двигатели имеют предельный физический и моральный износ, что обуславливает необходимость их замены.
В состав судовой пропульсивной установки входит валопровод, участвующий во вращательном движении, который представляет собой сложную систему. В эту систему входят коленчатый вал и соединенные с ним детали кривошипно-шатунного механизма, фланец отбора мощности, ротор электрического генератора, соединительные муфты, валы, понижающие реверс-редукторные передачи и т.д. Передавая крутящий момент от двигателя внутреннего сгорания к винту, валопровод обеспечивает движение судна. В процессе эксплуатации судовой пропульсивной установки происходит изнашивание подшипников, при этом изменяется взаимодействие валов с подшипниками. Износ подшипников может быть вызван воздействием изгибных, продольных и крутильных колебаний. Крутильные колебания представляют собой наиболее существенную опасность. При таком виде колебаний разные сечения валопровода под действием переменного крутящего момента совершают колебательные движения, поворачиваясь относительно оси его вращения на неодинаковые углы, что обуславливает неравномерность вращения.
В настоящее время модернизация судовой пропульсивной установки заключается в замене дизель-редукторных агрегатов (ДРА). Актуальным является выбор ДРА не только по экономическим характеристикам, таким как расход топлива и смазочных материалов, которые количественно близки для современных двигателей, ресурсным показателям, полученным на основании стендовых испытаний завода-изготовителя, которые не учитывают условия эксплуатации на судах, но и с точки зрения частотных характеристик. Судовые условия отличаются от стендовых испытаний тем, что реальная валовая линия имеет присоединенные массы валопровода и гребного винта.
Таким образом, на этапе выбора ДРА требуется оценить ресурсные характеристики конкретного дизель-редукторного агрегата, обусловленные особенностями судовой пропульсивной установки определенного судна, зависящими от развития крутильных колебаний.
Целью данной работы является определение частотных характеристик судовой пропульсивной установки и оценка динамических воздействий на детали и узлы валопровода, при крутильных схемах с различными ДРА.
Определение частотных характеристик предполагает разработку модели крутильной системы и расчет собственных частот колебаний, определение форм колебаний и резонансных частот вращения коленчатого вала.
Для моделирования собственных колебаний валовых линий судовых пропульсивных установок рассматриваются дизель-редукторные агрегаты на базе главных двигателей 8170, B6190, X6170, мощностью от 280 кВт до 320 кВт, при 1000 мин-1, с реверс-редукторными передачами НС400, YHC400, НС600 с передаточным отношением 3:1. Валовые линии относятся к теплоходам проектов 1741А и Р33Б.
Решение поставленной задачи основано на математическом моделировании собственных колебаний и определении границ спектра собственных частот крутильных колебаний. Разработка модели крутильной системы предполагает приведение элементов механической системы. В дискретную крутильную схему включают колеблющиеся массы и упругие участки между ними. При этом массы обладают только инерционными свойствами, а участки — только упругими. Определяя параметры элементов расчетной схемы, как системы деформируемых элементов, необходимо обеспечить равенство и кинетической, и потенциальной энергии деформации действительной системы валовой линии судовой пропульсивной установки и расчетной схемы.
Математическое описание задачи основывается на решении уравнения свободных колебаний в матричной форме:
Для оценки вынужденных колебаний следует предварительно определить резонансные режимы работы установок.
С точки зрения вынужденных колебаний наибольшую опасность для рассматриваемых ДРА с шестицилиндровыми двигателями, будут представлять резонансные колебания, возбуждаемые гармониками 3,6 порядков [3,4]. Резонансные частоты вращения коленчатого вала, при валопроводных формах колебаний представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Резонансные частоты вращения коленчатого вала
| Гармоника | B6190 c РРП HC400 | X6170 c РРП YHC 400 | ||
| 1741А | Р33Б | 1741А | Р33Б | |
|
Резонансная частота вращения коленчатого вала, мин-1 |
||||
| 3 | 782 | 759 | 772 | 875 |
| 6 | 391 | 379 | 386 | 437 |
Рабочий диапазон частот вращения коленчатого вала рассматриваемых ДРА – от 400 мин-1 до 1000 мин-1. Критические обороты от резонансов 6 порядка расположены в пусковом диапазоне и вблизи минимально – устойчивой частоты вращения коленчатого вала двигателя. Резонансные частоты вращения, возбуждаемые гармониками 3 порядка, характерны для всего рабочего диапазона.
Для судовой пропульсивной установки проекта Р33Б с ДРА на базе двигателя X6170 и реверс – редуктора YHC400 обнаружен резонанс 3 порядка, в диапазоне частоты вращения (0,85 – 1,05) nном, что в соответствии с правилами Российского Речного Регистра, снижает предел допускаемых напряжений для длительной работы, вызванных крутильными колебаниями, до 70% от допускаемых.
В состав ДРА входят восьмицилиндровые дизели одного типоразмера и реверс-редукторы НС400 и НС600, с различными крутильными схемами, что обуславливает различия в инерционных и упругих характеристиках ДРА.
Сравнительный анализ собственных частот валопроводной формы представлен в таблице 2.
Таблица 2.
Собственные частоты валопроводной формы
|
Дизель—редукторный агрегат |
Собственная частота валопроводной формы кол/мин |
|
| 1741А | Р33Б | |
| 8170(НС400) | 2316,96 | 2606,40 |
| 8170(НС600) | 2011,37 | 2188,56 |
| Различие, % | 13,18 | 16,03 |
Из графиков относительных амплитуд колебаний валопроводной формы для ДРА с восьмицилиндровыми двигателями, представленных на рисунке 3, следует, что при незначительном отличии собственных частот – 13,18% и 16,03% (таблица 2), разность относительных амплитуд на участке валопровода составляет: проект 1741А – 48,83%; проект Р33Б – 50,66%.
Таким образом, при модернизации судовых пропульсивных установок буксиров-толкачей 1741А и Р33Б, относительно резонансных частот вращения коленчатого вала, рекомендуется схема с ДРА на базе двигателя B6190 и реверс-редуктора НС400, так как резонансные колебания имеют значительную удаленность от номинальной частоты вращения. Резонансы 6 порядка, которые являются главными для 6-цилиндрового двигателя, при данной схеме не входят в рабочий диапазон частот вращения коленчатого вала.
С точки зрения амплитудно-частотных характеристик собственных колебаний валопровода, наименьшая динамическая нагрузка на валопровод и дейвудные подшипники, соответствует схеме с ДРА на базе двигателя 8170 и реверс-редуктора НС600. При данной схеме значения собственных частот ниже, чем у аналогичного ДРА с реверс-редуктором НС400, что определяет уменьшение сил трения в подшипниках.
В работе представлены параметры крутильных колебаний, влияющие на износ подшипников. При выборе ДРА следует руководствоваться расчетом крутильных колебаний реальной валовой линии судовой пропульсивной установки и рассматривать частотные характеристики, как параметры, определяющие надежность и продолжительность эксплуатации, по сравнению с аналогами, со схожими экономическими характеристиками.
Список литературы:
1.Глушков С.С. Математическое моделирование динамических характеристик судовых валопроводов: Дис. … канд. техн. наук. – Новосибирск: НГАВТ, 2009. – 165 с.
2.Глушков С.С. Расчет амплитуд свободных колебаний дискретных многомассовых систем / Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. – 2008. — №2. – с. 162
3.Определение гармонических амплитуд возмущающих моментов / Штельмах С.В., Глушков С.С. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. – 2008. — №2. – с. 180
4.Работа гармонических возмущающих моментов в судовых энергетических установках / Штельмах С.В., Глушков С.С., Викулов С.В. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. – 2008. — №1. – с. 164[schema type=»book» name=»МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВОЙ ПРОПУЛЬСИВНОЙ УСТАНОВКИ ОТНОСИТЕЛЬНО ПАРАМЕТРОВ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ» author=»Глушков Сергей Сергеевич, Круглов Игорь Алексеевич, Глушков Сергей Павлович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-26″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.01.2015_01(10)» ebook=»yes» ]