Повышение качества судовых валопроводов и совершенствование технологии их изготовления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.04, кандидат технических наук Александров, Михаил Владимирович

• Александров, Михаил Владимирович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Александров, Михаил Владимирович

Введение.

Глава I. Анализ существующих технологических методов обеспечения качества судового валопровода.

1.1. Анализ существующей конструкции валопровода, способов сборки и защиты деталей.

1.2. Анализ особенностей технологических процессов изготовления облицовок и сборки валопроводов.

1.3. Анализ использования клеевых соединений в судовом машиностроении.

1.4. Анализ требований к клеевым соединениям при использовании валопроводов.

1.5. Выводы. Цель и задачи исследования.

Глава II. Аналитическое исследование клеевых соединений валопровода.

2.1. Анализ напряжений в деталях валопровода облицовка - гребной вал».

2.2. Анализ напряженного состояния разделительного слоя при осевом сдвиге, кручении, изгибе.

2.3.Температурные деформации в разделительном слое.

2.4. Исследование влияния погрешностей формы гребного вала и его облицовки на минимальную толщину разделительного слоя.

2.5. Напряжения в защитных покрытиях.

2.6. Выводы.

Глава III. Экспериментальные исследования соединения «гребной вал облицовка» с полимерным разделительным слоем.

3.1. Планирование экспериментальных исследований.

3.2. Исследование прочности соединения «гребной вал-облицовка» с разделительным слоем.

3.3. Исследование электрического сопротивления разделительного слоя.

3.4. Специфические эксперименты.

3.5. Проверка податливости соединений с полимерным разделительным слоем.

3.6. Исследование сплошности разделительного слоя.

3.7. Выводы.

Глава IV. Разработка технологических процессов изготовления валопроводов с полимерным разделительным слоем и защитным покрытием.

4.1. Расчет конструктивных параметров соединения.

4.2. Технология сборки соединений с полимерным разделительным слоем на основе полиуретана.

4.3. Технология нанесения полимерных защитных покрытий.

4.4. Выводы.

Глава V. Практическое использование результатов исследований.

5.1. Внедрение в нормативно-техническую документацию.

5.2. Внедрение в проектирование.

5.3. Внедрение в производство.

5.4. Эксплуатационная проверка соединений с разделительным слоем и защитным покрытием.

5.5. Оценка экономической эффективности.

5.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение качества судовых валопроводов и совершенствование технологии их изготовления»

Российский флот состоит из всех известных типов судов и кораблей, таких как сухогрузные, наливные, пассажирские, рыбопромысловые морские и речные суда, ледоколы, научно-исследовательские и вспомогательные суда, надводные и подводные боевые корабли и прочие плавсредства. По данным Российского Морского Регистра Судоходства [45] одним из наименее надежных компонентов судна является движительный комплекс (ДК), в первую очередь валопровод. Наиболее нагруженным и подверженным повреждениям, связанным с коррозией и фретинг-коррозией, считается гребной вал [8, 9].

Примерно половина морского коммерческого флота состоит из судов, оборудованных водяной смазкой подшипников гребных валов. Соответственно гребные валы имеют бронзовые облицовки, которые выполняют две функции: создания оптимального трибосопряжения в дейдвудных подшипниках и защиты вала от контакта с морской водой. Кроме того, гребной вал, как правило, имеет защитное покрытие на участках, расположенных вне дейдвудных подшипников. Эти участки защищают лакокрасочными средствами, композициями на основе эластомеров и эпоксидных компаундов, армированных стекловолокном. Весь речной и военно-морской флот также ориентирован на охлаждение и смазку водой подшипников гребных валов.

Опыт эксплуатации флота с водяной смазкой дейдвудных подшипников [8, 9, 14, 15, 23, 45] свидетельствует о том, что сопряжения «вал - бронзовая облицовка» подвержены действию коррозии и фретинг-коррозии, а защитные покрытия не обладают достаточной надежностью, разрушаясь преимущественно в районах соединения с бронзовыми облицовками. Коррозионные повреждения интенсифицируются при наличии прямого электрического контакта между деталями, имеющими различный электрический потенциал. Таким образом, можно утверждать, что традиционное прессовое соединение стального вала с бронзовой облицовкой является потенциальным источником повреждений гребного вала, который активно проявляется при контактах с морской водой.

Гребной вал расположен в недоступном и необслуживаемом пространстве. Его надежная работа не может быть обеспечена за счет постоянного наблюдения и технического обслуживания. Регулярные профилактические ремонтные работы также невозможны по технико-экономическим соображениям. Так, для выполнения полноценного осмотра и ремонта необходима постановка судна в док, демонтаж гребного винта и гребного вала, простой судна в течении длительного времени. При этом судовладелец несет издержки, исчисляемые тысячами долларов в сутки (доковый тариф, ремонтные работы, запасные детали) и десятками тысяч долларов в сутки (потеря провозоспособности) за счет упущенной прибыли. Одним из путей сокращения названных издержек является повышение надежности валопровода и его технического ресурса.

Решение этой задачи приводит к необходимости всестороннего анализа существующих конструкций валопровода, способов сборки и защиты деталей, анализа технологических процессов изготовления облицовок и сборки валопроводов, а также использования клеевых соединений в разделительном слое между валом и облицовкой. Таким образом, объектом исследования настоящей диссертационной работы является конструкция соединения «гребной вал - облицовка» с разделительным слоем и технология его изготовления.

Указанное выше требует всестороннего исследования и анализа теоретических методов оценки прочности соединений «гребной вал -облицовка» с разделительным слоем, обеспечивающих надежную работу валопровода.

Таким образом, целью диссертационных исследований является повышение надежности валопровода за счет совершенствования конструкции соединения «гребной вал - облицовка» и технологии его монтажа.

В диссертационной работе выполнены теоретические исследования конструкций соединений «гребной вал - облицовка», определены диапазоны варьируемых конструктивно-технологических параметров, проанализированы свойства клеевых соединений на основе эпоксидной смолы и полиуретана, определены параметры прочности соединений, подлежащие экспериментальному исследованию.

Спроектированы конструкции и созданы серии опытных образцов соединений, отличающиеся конструктивно-технологическими параметрами и материалом разделительного слоя.

В процессе создания серии образцов отработана технология сборки соединения, предложенная впоследствии для промышленного использования.

Выполнены всесторонние экспериментальные исследования прочности, электрического сопротивления и дополнительных качественных параметров разделительного слоя. На основе исследований определены оптимальные конструктивно-технологические параметры соединения «гребной вал - разделительный слой - облицовка», обеспечивающие надежную работу валопровода. Отработан технологический процесс изготовления и осуществлено опытное внедрение промышленной технологии формирования разделительного слоя между телом судового гребного вала и антифрикционной облицовкой (в ООО «ЛОМО-Инфраспек»).

Результаты диссертационных исследований и разработок использованы в проекте «идеального» движительного комплекса «Экодейдвуд» (в АОЗТ «Производственное предприятие «Сигма»).

Новые научные результаты работы заключаются в том, что впервые установлены закономерности распределения напряжений и деформаций в полимерном разделительном слое соединения типа «вал-облицовка», а также в зоне сопряжения трёх элементов: вал, облицовка, защитное покрытие, позволяющие обоснованно использовать современные полимерные материалы для достижения целей работы.

Практическая ценность работы состоит в том, что впервые разработана промышленная технология крепления бронзовых облицовок на гребных валах с применением современных полимерных материалов, обеспечивающая заданную прочность и надежную защиту гребных и валов от коррозии.

Данные, полученные в настоящей работе, свидетельствуют о надежности валопроводов, созданных с использованием предложенной конструкции соединения «гребной вал - облицовка» с полиуретановым разделительным слоем.

Заключение диссертации по теме «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства», Александров, Михаил Владимирович

5.6 Выводы

1. Результаты исследований и разработок внедрены в научно-исследовательский проект «ЭКОДЕЙДВУД». Гребной вал с облицовками, установленными с помощью разделительного слоя на основе полиуретана, использован в проекте в качестве одного из элементов «идеального» судового движительного комплекса.

2. Научные результаты внедрены в производство при изготовлении натурной модели «идеального» движительного комплекса «ЭКОДЕЙДВУД».

3. Экономический эффект от внедрения исследований и разработок, изложенных в диссертации, в судостроение и судоремонт Российской Федерации оценивается суммой, эквивалентной не менее 2млн. долларов США в год.

112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обоснована целесообразность и возможность применения гребных валов с разделительным слоем между телом вала и облицовкой, физико-механические и технологические свойства которого соответствуют определенным требованиям, сформулированным на основе теоретических и экспериментальных исследований. Применение такого технического решения позволяет достичь сформулированную цель, т.е. повысить надежность валопровода за счет уменьшения пиков концентрации напряжений, эффективной гидроизоляции вала и равномерного нагружения дейдвудных подшипников.

2. Аналитическими исследованиями установлено, что разделительный слой на основе эпоксидной смолы не соответствует полному набору требований, предъявляемых к подобному элементу гребного вала. Показано, что из-за большого абсолютного значения модуля упругости композиций на основе эпоксидной смолы, в разделительном слое могут возникать напряжения, превышающие предел выносливости. Причиной возникновения этих напряжений может стать наложение негативных воздействий, вызванных погрешностями изготовления и сборки гребного вала, а также условиями его эксплуатации.

3. Аналитически показано влияние масштабного фактора на прочность разделительного слоя между валом и облицовкой. Нагрузки от веса гребного винта и гребного вала, воспринимаемые разделительным слоем, возрастают прямо пропорционально диаметру гребного вала.

4. Доказано, что использование тонкой пленки клея (1=0,1мм) в качестве разделительного слоя малоэффективно. Наличие технологических погрешностей не обеспечивает надежной изоляции гребного вала и облицовки. Предложена методика аналитической оценки суммарной технологической погрешности изготовления и сборки. Доказано, что толщина разделительного слоя должна быть больше, чем сумма технологических погрешностей.

5. Установлено, что температурные деформации и напряжения в разделительном слое при естественном нагреве или охлаждении гребного вала, а также при установившемся режиме тепловыделения в процессе трения облицовки вала о дейдвудный подшипник невелики и поэтому учитывать их при оценке надежности разделительного слоя нет необходимости.

6. Сформулированы преимущества технического решения, в котором используется современный эластомер для одновременного выполнения функций защитного покрытия и разделительного слоя. Показано, что такое техническое решение может обеспечить снижение напряжений в разделительном слое от эксплуатационных нагрузок, а также обеспечить надежность защитных покрытий во всем диапазоне размеров гребных валов и эксплуатационных нагрузок.

7. Экспериментально установлено, что разделительный слой на основе эпоксидного клея или полиуретана способен обеспечить эффективное электрическое разъединение гребного вала и облицовки. Для этого необходимо, чтобы толщина разделительного слоя была достаточной для компенсации погрешностей изготовления и сборки соединения. Показано, что толщина слоя должна находиться в диапазоне 1-3 мм. При такой толщине разделительного слоя абсолютные значения электрического сопротивления составляют десятки кОм и десятки МОм соответственно для эпоксидной смолы и полиуретана.

8. Установлено, что повышение температуры до 100 °С в зоне дейдвудного подшипника возможно в процессе нормальной эксплуатации, однако это не окажет влияния на работу соединения «гребной вал -облицовка» при толщине разделительного слоя 1=1-3 мм.

9. Доказано, что по всем основным параметрам (прочность при низкой и повышенной температурах, электрическое сопротивление, масштабный фактор, податливость, работоспособность при предельных нагрузках, сплошность) разделительный слой на основе полиуретана превосходит разделительный слой на основе эпоксидной смолы.

10. По результатам аналитических и экспериментальных исследований сформулированы методы расчета основных параметров соединительного устройства «гребной вал - облицовка» с разделительным слоем на основе полиуретана холодного отверждения для использования при проектировании.

11. Разработаны типовые технологические процессы сборки гребных валов с облицовками и разделительным слоем и нанесения защитного покрытия на основе полиуретана холодного отверждения для использования в судостроении и судоремонте.

12. Сформулированы требования к технологической оснастке, к подготовке поверхностей и к окружающей среде, которые должны быть соблюдены в условиях механического цеха судостроительного, судоремонтного или специализированного предприятия.

13. Осуществлено опытное внедрение результатов диссертационной работы в научно-исследовательский проект «ЭКОДЕЙДВУД», выполненный в АОЗТ «Производственное предприятие «СИГМА». Технологические процессы формирования разделительного слоя проверены в производственных условиях ООО «ЛОМО-Инфраспек».

14. Ожидаемый экономический эффект в сфере эксплуатации флота от полной реализации рекомендаций, изложенных в диссертации, оценивается суммой не менее 2,0 млн. долларов США в год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Александров, Михаил Владимирович, 2010 год

1. Александров М.В. Об опыте сборки бронзовых облицовок с гребными и дейдвудными валами. «Вестник технологии судостроения», № 9, 2001. С. 3638.

2. Александров М.В. Влияние погрешностей формы деталей сопряжения «вал-втулка» на минимальную толщину разделительного слоя. Сб. трудов НТО им. акад. А.Н. Крылова. 2001. Вып. 31, часть 4.

3. Александров М.В. Некоторые особенности технологического процесса сборки облицовок с гребными валами с использованием клея. Сборник рефератов Д.Р. ВИМИ, выпуск 3, 2001.

4. Александров М.В. К вопросу о применении клея для соединения деталей судового машиностроения. Сборник рефератов ДР ВИМИ, выпуск 4, 2001.

5. Александров М.В. Прочность соединений «вал-втулка» с разделительным слоем на основе полиуретана холодного отверждения. Сборник рефератов ДР ВИМИ, выпуск 1, 2002.

6. Александров М.В., Лысенков П.М. Напряженное состояние разделительного слоя между гребным валом и его облицовкой. «Судостроение», № 6, 2001, стр. 57-58.

7. Александров М.В. Повышение качества судовых валопроводов и совершенствование технологии их изготовления. Сборник докладов на II Российской научно-практической конференции судостроителей, 2010, стр.78-79, СПб.

8. Бабанин В.Ф., Лысенков П.М., Орехов A.B., Постовалов Г.И. Совершенствование технологичности судового валопровода. «Технология судостроения», №5, 1986.

9. Балацкий Л.Т., Филимонов Г.И. Повреждения гребных валов. Изд. «Транспорт», М., 1970.

10. Балацкий Л.Т., Филимонов Г.Н. Фреттинг в судовых деталях. Изд. «Судостроение», 1973.

11. Беляев Г.С. Технология выполнения клеевого соединения типа гребной винт вал. Труды ЦНИИТС, 1967, № 73.

12. Беляев Г.С. Теоретическое и экспериментальное исследование существующих и новых способов крепления гребных винтов на судовых валах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., Ленинград, 1967.

13. Валы судовых валопроводов. Общие технические условия. ОСТ5.4097-74.

14. Валы судовых валопроводов. Типовые технологические процессы изготовления. ОСТ5.9648-76.

15. Вейнгартен А.М. и др. Результаты обследования состояния гребных валов на судах. «Технология судостроения», 1966, № 2.

16. Виноградов С.С, Гавриш П.И. Износ и надежность винторулевого комплекса судов. Изд. «Транспорт», 1970.

17. Гречищев Е.С. Прочность соединений с гарантированным натягом в условиях кругового изгиба. «Вестник машиностроения», 1962, № 4.

18. Державец Ю.А., Сивчиков СБ., Турков А.И. Применение полиуретанов в судостроении. Труды Первого Международного симпозиума по транспортной триботехнике «Транстрибо-2001». СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001.

19. Драхман 3., Аракелов Ф. Расчет надежности посадок облицовок из пластических бронз на гребные валы». «Морской флот», 1967. № 9.

20. Елизаветин М.А., Сатель Э.А. Технологические способы повышения долговечности машин. Изд. «Машиностроение», М., 1969.

21. Желтов В.П. Исследование несущей способности соединительных элементов судовых валопроводов сборной конструкции. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., Ленинград, 1970.

22. Лысенков П.М., Постовалов Г.И., Рубин М.Б. Технологичность судовых валопроводов. Издание ЦНИИ «Румб», 1982.

23. Лысенков П.М. Эффективность использования разработок, направленных на экономию материальных и трудовых ресурсов. Сб. «Вопросысудостроения». Серия «Судоверфь». № 5, 1985

24. Лысенков П.М. Технологические проблемы производства судовых валов. Тезисы докладов на всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы повышения надежности судовых валопроводов». Л. Изд-во «Судостроение», 1988.

25. Лысенков П.М. Влияние масштабного фактора на контактные давления в опорах гребных валов. «Судостроение», № 12, 1990.

26. Лысенков П.М. Тенденции развития технологии судовых движительных комплексов. Технология судостроения, 1991, № 7.

27. Лысенков П.М. Судовой движительный комплекс как сложная трибосистема. «Трение, износ, смазка». № 2, 1999. Электронный ресурс wvyw.tribo.ru.

28. Николаев В.А. Конструирование и расчет судовых валопроводов. Судпромгиз, 1956.

29. Перри Г.А. Склеивание армированных пластиков. Перевод с англ. Судпромгиз, Л., 1962.

30. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев, «Наукова думка», 1975.

31. Подъяпольский B.C. Исследование способов соединений гребных винтов и муфт с судовыми валами при соблюдении условий электрической защиты кораблей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., Ленинград, 1964.

32. Покрытия защитные из стеклопластика гребных и дейдвудных валов. Типовой технологический процесс. ОСТ5.9558-74.

33. Российский Речной Регистр. Правила классификации и постройки судов внутреннего плавания. «Марин инжиниринг сервис», М., 1995.

34. Рубин М.Б., Бахарева В.Е. Подшипники в судовой технике. Справочник. Л., «Судостроение», 1987.

35. Сажин A.M. Расчет напряжений в клеевых соединениях металлических пластин при сдвиге. «Вестник машиностроения», 1964, №11.

36. Сергеев В.Е., Подъяпольский B.C. Насадка облицовок на гребные валы с помощью эпоксидно-полиамидного клея. «Технология судостроения», 1970, №5.

37. Сергеев В.Е. Вопросы прочности клеевых соединений облицовок с судовыми валами. Труды ЦНИИТС, 1972, вып. 125.

38. Сергеев В.Е. Способ сплошной гидроизоляции гребных валов. Сборник «Судоремонт флота рыбной промышленности», № 24, 1974.

39. Сергеев В.Е., Подъяпольский B.C., Нестеров В.Г. Гидропрессовые и клеевые соединения в механомонтажном производстве. «Технология судостроения», 1974, № 4.

40. Сергеев В.Е., Марков А.П., Раздрогин Ю.В. Применение полимерных материалов при сборке и монтаже судового механического оборудования. Сб. Рипорт, 1976, №25.

41. Старосельский A.A. К расчету облицовок гребных валов. Научн. техн. сб. «Судостроение и судоремонт», вып. 1, ОИИМФ, 1967.

42. Фрейдин A.C. Прочность и долговечность клеевых соединений. М., «Химия», 1971.

43. Харченко В.Г., Суворов A.C. Анализ-обобщение данных повреждений валопроводов морских судов по результатам освидетельствований за период с 1 ноября 1982 г. по 31 октября 1987 г. Регистр СССР. Научн.-техн. сб., 1991, вып. 17.

44. Шавырин В.Н., Андреев Н.Х., Чукович A.A. Клее-механические соединения в технике. Изд. «Машиностроение», М, 1968.

45. Шнуров З.Е. Вопросы прочности клеевых соединений. Сб. статей «Клеи ичтехнология склеивания», Оборонгиз, 1960.

46. Ясовский СР., Фрейдин А.С. Усталостная прочность клеевых соединений металлов на эпоксидных клеях холодного отверждения. «Вестник машиностроения», 1968, № 7.

47. Valckernes G A Schroefassen en Schrofaskokers ship en Werf, vol 27, N 3, 1960.

48. Vedeler В On Stresses and Failures in Propeller Shafts of Single Screw Vessels. «European Shipbuilding», vol II, N2,1962.

49. ГОСТ ИСО P 5725-1-2002. Государственный стандарт Российской Федерации. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений.

50. Герман Г.В. Методология управления технологией монтажа судового электрооборудования. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н., СПб., 2002г.

51. Российский Морской Регистр Судоходства. Правила классификации и постройки морских судов, СПб, 2007г.го

52. Утверждаю Директор по научной работе ООО "ЛОМО-Инфраспек"1.1. Актвнедрения технологии формиро.айтельного слоя.технических наук \ /1 Лысенков П.М.21 мая 2010 г.

53. Заместитель директора по производству АОЗТ "Производственное предприятие "СИГМА"1. Актвнедрения в проектирование и производство технологических рекомендаций, изложенных в кандидатской диссертации М.В. Александрова.1. З.И. Валов2010 г.

54. Помощник директора АО "СИГМАи1. Е.П. Белоусова