Разработка технологии сборки втулочно-эксцентриковых соединений валов судовых и корабельных валопроводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.04, кандидат технических наук Нестеров, Владимир Георгиевич

• Нестеров, Владимир Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нестеров, Владимир Георгиевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ СОЕДИНЕНИЙ ВАЛОВ ВАЛОПРОВОДОВ.

1.1. Оценка технологичности и влияния конструктивных решений на технологию сборки соединений валов.

1.2. Обоснование технологических аспектов формирования втулочно-эксцентрикового соединения валов валопровода.

1.3. Выводы к главе 1 и постановка задач исследования.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВТУЛОЧНО-ЭКСЦЕНТРИКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ВАЛОВ.

2.1. Физика контакта эксцентрика с валом и определение величины натяга в соединении.

2.2. Исследование собираемости втулочно-эксцентрикового соединения валов.

2.3. Исследование технологических параметров сборки втулочно-эксцентрикового соединения.

2.4. Выводы к главе 2.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СБОРКИ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВТУЛОЧНО-ЭКСЦЕНТРИКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ВАЛОВ.

3.1. Экспериментальные исследования распределения контактных давлений в соединении эксцентрика с валом.

3.2. Исследования влияния технологических параметров сборки и масштабного фактора на несущую способность втулочно-эксцентрикового соединения.

3.3. Исследования усталостной прочности втулочно-эксцентрикового соединения валов.

3.4. Выводы к главе 3.

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ

ВТУЛОЧНО-ЭКСЦЕНТРИКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ВАЛОВ.

4.1. Разработка методики расчета технологических параметров сборки втулочно-эксцентрикового соединения.

4.2. Разработка технологии сборки втулочно-эксцентрикового соединения валов валопровода.

4.3. Практическая реализация результатов работы.

4.4. Технико-экономическая эффективность от внедрения результатов работ.

4.5. Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии сборки втулочно-эксцентриковых соединений валов судовых и корабельных валопроводов»

Судовой валопровод представляет собой конструктивный комплекс, кинематически связывающий главный двигатель с движителем и предназначенный для передачи крутящего момента и осевой силы (упора), которые создаются при работе главной энергетической установки и движителя. Валопровод, как правило, состоит из системы валов - гребного, дейдвудного, промежуточного и упорного, соединяющих движитель с энергетической установкой, а также подшипников, на которые опираются валы. В единую систему валы объединяют соединительные устройства в виде глухих конических соединений, фланцев или муфт - фланцевых, втулочных, вибродемпфирующих.

Аварии, причиной которых являются движительные комплексы, в первую очередь связаны с повреждениями гребных и дейдвудных валов валопроводов. Выход из строя валопровода наносит ущерб, во много раз превышающий стоимость поврежденного или разрушенного вала. Возникают ремонтные расходы, включающие оплату дока, стоимость заменяемых валов и затраты на буксировку судна, кроме того, происходит потеря эксплуатационной прибыли за время вынужденного простоя судна. Обобщение опыта эксплуатации валопроводов показывает, что подавляющее большинство повреждений валов связано с возникновением трещин в основном усталостного характера, и спровоцированных концентраторами напряжений - шпоночными пазами, резьбовыми хвостовиками и напрессованными на вал деталями, в том числе муфтами. Необходимо также отметить, что при проведении ремонта валопровода возникают значительные сложности и большая потеря времени при разборке и последующей сборке соединительных устройств. Это объясняется низкой технологичностью соединений, т.к. при проектировании валопровода, как правило, используются традиционные разработанные несколько десятков лет назад конструктивные решения, например, глухое коническое соединение или соединение шпоночной фланцевой муфтой и соответствующие технологические процессы сборки соединений без какой-либо модернизации.

Оценивая нынешнее состояние производства и монтажа валопроводов, следует признать, что традиционно применяемые соединения валов имеют высокую материалоемкость, обусловленную их конструкцией, а трудоемкость сборки и монтажа соединений достаточно высока из-за необходимости выполнения ручной пригонки шпонок и соединительных болтов. При этом, отдельные конструктивные решения соединений, как, например, глухое коническое соединение гребного вала с дейдвудным, не позволяют использовать при сборке и разборке соединения прогрессивный метод инжекции масла - когда масло подается под высоким давлением между сопрягаемыми поверхностями деталей, что в свою очередь увеличивает трудоемкость работ и отрицательно влияет на качество. Все это свидетельствует о том, что уровень производственной и эксплуатационной технологичности соединительных устройств валов валопроводов весьма низок.

Существуют высокотехнологичные соединения валов с использованием втулочных муфт и собираемые по методу инжекции масла, но их применение, особенно для высоконапряженных конструкций валопроводов, ограничено из-за недостаточной несущей способности, которая характеризуется силами трения, возникающими в соединении после его сборки.

Для повышения несущей способности были разработаны новые втулочно-эксцентриковые соединения валов, однако внедрение этих соединений связано с тем, что для выполнения их сборки требуется специальная технология, учитывающая конструктивные особенности соединения и в то же время базирующаяся на методе инжекции масла.

При эксплуатации валопровод испытывает сложное напряженное состояние, вызываемое действием крутящего момента и осевой силы от упора гребного винта. Кроме того, на напряженное состояние валопровода серьезное влияние оказывают деформации корпуса судна, которые возникают от перераспределения сварочных напряжений, и деформации, возникающие при движении судна на волне.

Указанные факторы свидетельствуют о том, что валопровод является сложной технической системой, к которой предъявляются высокие требования в части обеспечения надежной работы на всех эксплуатационных режимах. В тоже время изготовление валопровода и последующий монтаж на судне требуют весьма значительных материальных и трудовых затрат, уменьшить которые можно лишь путем повышения технологичности конструкций деталей и узлов валопровода, из которых основными являются соединения валов.

Таким образом, проблема формирования высокотехнологичных и в то же время надежных конструктивно-технологических решений с высокой несущей способностью, основой которых являются втулочно-эксцентриковые соединения валов, а, следовательно, и разработка технологии их сборки, без которой невозможна реализация этих решений на практике, является актуальной задачей, особенно при постройке судов и кораблей на экспорт.

Цель, которую поставил перед собой автор настоящей работы — повышение уровня технологичности и эксплуатационной надежности соединений валов судовых и корабельных валопроводов путем разработки и внедрения научно обоснованного метода сборки новых втулочно-эксцентриковых соединений.

Новизна разработок по теме диссертации подтверждена российскими и зарубежными патентами на изобретения.

Основные результаты диссертационной работы успешно внедрены ФГУП «Северное ПКБ» и ОАО «Балтийский завод» при проектировании и при изготовлении корабельных валопроводов, в том числе для ВМС Индии.

Экспериментальная часть работы выполнена на стендах ФГУП «ЦНИИ технологии судостроения», ФГУП «ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей», Львовского Физико-механического института Академии наук Украины и фирмы OVAKO Couplings АВ (Швеция).

Заключение диссертации по теме «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства», Нестеров, Владимир Георгиевич

4.5 Выводы к главе 4

3. Разработанная технология обеспечивает практическую реализацию втулочно-эксцентрикового соединения, обладающего высоким уровнем технологичности и эксплуатационной надежности, взамен глухого конического или фланцевого соединений

4. В зависимости от конструктивно-технологических параметров соединения для выполнения технологических операций рекомендован тот или иной комплект модульных устройств, обеспечивающий сборку соединения.

5. Внедрение результатов исследований осуществлено при изготовлении и монтаже 15 валопроводов на 4-х типах кораблей российской и зарубежной постройки.

6. Внедрение технологии втулочно-эксцентриковых соединений, например, при производстве составных гребных валов диаметром 460 мм в соответствии с расчетом обеспечивает снижение материалоемкости на 42%, а сокращение трудоемкости изготовления и сборки на 46%. Суммарный экономический эффект для фрегатов проекта 11150 только от снижения материалоемкости составляет 336,0 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований автором получены следующие основные результаты:

1. Установлены аналитические зависимости между технологическими параметрами сборки, несущей способностью и напряженно-деформированным состоянием втулочно-эксцентрикового соединения валов. Показана целесообразность создания на эксцентрике контактного давления, что обеспечивает высокую несущую способность соединения за счет совместного действия эксцентрика и сил трения в соединении.

2. Установлено, что при одинаковых технологических параметрах сборки и при одном и том же напряженно-деформированном состоянии расчетная несущая способность втулочно-эксцентрикового соединения в среднем в 1,6 раза превышает несущую способность втулочного соединения.

3. Разработана на основе полученных зависимостей методика расчета конструктивно-технологических параметров втулочно-эксцентрикового соединения.

4. Разработана технология сборки втулочно-эксцентрикового соединения, на основе запатентованного способа формирования соединения и метода инжекции масла, что обеспечивает совместное действие эксцентрика и сил трения в соединении при передаче крутящего момента.

5. Экспериментально подтверждены результаты теоретических исследований, положенные в основу технологии сборки втулочно-эксцентрикового соединения валов. Установлено, что в передаче крутящего момента доля эксцентрика с учетом масштабного фактора составляет 30-40%, а усталостная прочность втулочно-эксцентрикового соединения более чем в два раза превышает усталостную прочность фланцевого и глухого конического соединения валов, традиционно применяемых до настоящего времени.

6. Результаты настоящей работы внедрены при проектировании и при изготовлении корабельных валопроводов. Внедрение технологии сборки втулочно-эксцентриковых соединений при производстве составных гребных валов диаметром 460 мм для фрегата проекта 11150 обеспечивает по сравнению с традиционными соединениями валов снижение материалоемкости в среднем на 40%, а сокращение трудоемкости изготовления и сборки - в среднем на 45%. Экономический эффект для фрегатов проекта 11150 только за счет снижения материалоемкости соединений валов составил 336,0 тыс.руб.

7. В результате внедрения разработанной технологии установлена возможность замены традиционных соединений валов на втулочно-эксцентриковые, применение которых обеспечивает повышение уровня технологичности и эксплуатационной надежности соединений валов судовых и корабельных валопроводов.

8. Новизна и приоритет результатов исследований подтверждены российскими и зарубежными патентами на изобретения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нестеров, Владимир Георгиевич, 2004 год

1. Николаев В. А. Конструирование и расчет судовых валопроводов. JL: Судпромгиз, 1956,358 с.

2. Лысенков П.М., Рубин М.Б., Постовалов Г.И. технологичность судовых валопроводов. Л.: ЦНИИ «Румб», 1982, 89 с.

3. Исследование усталостной прочности соединений судовых валов и влияния на нее технологических и эксплуатационных факторов. Отчет о НИР № 887Д-77. Л.: ЦНИИ КМ «Прометей», 1980, 76 с.

4. ГОСТ 19354. Соединения фланцевые судовых валопроводов. Конструкция и размеры.

5. ГОСТ 7062. Поковки из углеродистой и легированной стали, изготовляемые ковкой на прессах. Припуски и допуски.

6. Правила классификации и постройки морских судов// Морской Регистр судоходства РФ, 1995.

7. Герцык М.К. Анализ требований Регистра СССР к фланцевым соединениям валопровода//Судостроение, 1980, № 7.

8. Bratt Е. Das Zusammenfiigen und Losen von Pressverbamittels Druckol. SKF-Kugellager-Zeitschrift, 1946, Helt2.

9. Bratt E. Press Fitted Joint and Means for Separating the Members Thereof. Патент США № 2,564,670. 1951

10. Mundt R. Die Anwendung des Druckolverfahrens bei Pressverbaim Schiffsmaschintnbau. Jahrbuch der Schiffbautechnischen Geselschaft, 45. Band 1951.

11. Сергеев B.E., Подъяполъский B.C., Нестеров В.Г. Гидропрессовые и клеевые соединения в механомонтажном производстве//Технология судостроения, 1974, № 4. <\ У1-41

12. Гречищев Е.С., Ильяшенко А. А. Соединения с натягом. М.: Машиностроение, 1981,240 с.

13. Федоров Б.Ф. Рациональный способ распрессовки и запрессовки деталей. М.: Машгиз, 1955, 68 с.

14. The Hydraulic Bolt System. Проспект фирмы Gotaverken Motor АВ, Швеция, 1980.

15. The SKF Supergrip Bolt for Rotating Flanges. Design and Operation Руководство № K2-1186 фирмы OVAKO Couplings AB, Швеция, 1990.

16. OK Shaft Couplings. Design and Operation. Руководство № К1-193 фирмы OVAKO Couplings AB, Швеция, 1992.

17. П. ГОСТ 8838. Соединения конические судовых валопроводов. Типы, конструкция и размеры.

18. Лысенков П.М., Постовалов Г.И., Рубин М.Б. Втулочное соединение валов. Авт. свид. № 556259, Б.И. № 16, 1977.

19. Лысенков П.М., Постовалов Г.И., Рубин М.Б. Втулочное соединение валов. Авт. свид. № 584124, Б.И. № 6, 1977.

20. Лысенков П.М., Постовалов Г.И., Рубин М.Б. Втулочное соединение гребных валов. Авт. свид. № 768693, Б.И. № 37, 1980.

21. Семенов ГЛ., Широбоков А. С., Кащенко И.И. Муфта для турбобура. Авт. свид. № 153456, Б.И. № 18, 1959.

22. Киряков Л.С., Усов В.Е. Компенсирующая муфта. Авт. свид. № 333317, Б.И. №24, 1970.

23. Сотое Е.Е., Тищенко Ю.А., Шмаков А.А. и др. Соединение валов. Авт. свид. № 559049, Б.И. № 19, 1977.

24. Нестеров В.Г., Набоков В.В, Петров Е.В., и др. Соединение валов. Авт. свид. № 632840, Б.И. № 42, 1978.

25. Нестеров В.Г., Набоков В.В., Павлов А.В. Способ соединения валов. Авт. свид. № 1826648, Б.И. №, 1993.

26. Овсянников М.К., Петухов В.А. Дизели в пропульсивном комплексе морских судов: Справочник. Л.: Судостроение, 1987, 255 с.

27. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К. и др. Расчеты на прочность в машиностроении. Т. 2. М.: Машгиз, 1958, 974 с.31 .Рохлин А.Г. Конические прессовые посадки гребных винтов и муфт. Л.: Судпромгиз. 1960,92 с.

28. Желтое В.П. Исследование несущей способности соединительных элементов судовых валопроводов сборной конструкции. Автореферат диссертации, Л.: 1970,27 с.

29. ЪЪ.Шенинг З.Р. Гидропрессовые соединения судовых деталей. Л.: Судостроение, 1966,104 с.

30. Лифшиц П.З. О распределении напряжений по контактной поверхности при горячей посадке диска постоянной толщины на сплошной вал.//Известия АН СССР, ОНТ, 1955, №4.

31. Берникер Е.И. Посадки с натягом в машиностроении. Справочное пособие. М-Л.: Машиностроение, 1966, 167 с.

32. Maass E. Die Olperssverdindungen/AVerkstattsyechnik, 1961, v. 51, № 8.

33. Сборка изделий машиностроения: Справочник/Под ред. В.С.Корсакова, В.КЗамятина. Т. 1. М.: Машиностроение, 1983,480 с.

34. Желтое В.П. Определение контактного давления в прессовых соединениях, собранных «тепловыми» методами, с учетом пластической деформации микронеровностей сопрягаемых поверхностей.//Труды Ленинградского кораблестроительного института, 1968, вып. XIV.

35. Дьяченко П.Е. Площадь фактического контакта сопряженных поверхностей. Из-во АН СССР, 1968, 174 с.

36. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970,268 с.

37. Кащеев В.Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов. М.: Машиностроение, 1978, 213 с.

38. Кравченко B.C. Монтаж судовых энергетических установок. Л.: Судостроение, 1975,255 с.

39. Барит Г.Ю. Основы технологии судового машиностроения. Л.: Судостроение, 1972,250 с.

40. Руководящий документ. Судовое оборудование. Методика расчета собираемости. № РД5Р.ГКЛИ.З310-045-2000, ФГУП «ЦНИИ технологии судостроения», 2000, 62 с.

41. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Наука, 1966, 320 с.I

42. Михлин С.Г. Интегральные уравнения, М.: Наука, 1969,270 с.

43. Определение контактных давлений в опорах рулевых устройств. Отчет о НИР. Л.: ВНИИМЕТМАШ, 1981,48 с.

44. Румшинский JJ.3. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное руководство. М.: Наука, 1971, 182 с.

45. Torque Capacity of OK Couplings in Combination with Excentrics in the Shafts. Report No 1991-06-25. OVAKO STEEL Couplings AB, Hofors, 1991, p. 28.

46. Балацкий JI.T., Филимонов Г.Н. Повреждения гребных валов. М.: Транспорт, 1970,142 с.

47. Филимонов Г.Н., Балацкий JI.T. Фреттинг в соединениях судовых деталей. JL: Судостроение, 1973, 296 с.

48. ГОСТ 8536 Заготовки судовых валов и баллеров рулей. Общие технические условия.

49. ГОСТ 4543 Сталь легированная конструкционная. Технические условия

50. Исследование усталостной прочности моделей втул очно-эксцентриковых соединений судовых валов. Отчет о НИР № 68Д-80. Л.: ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей», 1983, 25с.

51. ОСТ5.9670.Отраслевой стандарт. Соединения конические судовых валопроводов. Типовые технологические процессы сборки и разборки.

52. Сборка и монтаж эксцентриковых соединений судовых валов. Типовой технологический процесс № 74-0201-138-93, ЦНИИ технологии судостроения, Л.: 1983,20 с.

53. Нестеров В.Г., Набоков В.В, Петров Е.В., и др. Соединение валов. Авт. свид. № 657191, Б.И. № 14, 1979.

54. Нестеров В.Г., Набоков В.В, Петров Е.В., и др. Быстроразъемное соединение судовых валов. Авт. свид. № 812651, Б.И. № 10, 1981.

55. Нестеров В.Г., Набоков В.В, Петров Е.В., и др. Быстроразъемное соединение судовых валов. Авт. свид. № 865693, Б.И. № 35, 1981.

56. Нестеров В.Г., Набоков В.В, Петров Е.В., и др. Соединение валов. Авт. свид. № 857590, Б.И. № 31, 1981.

57. Нестеров В.Г., Набоков В.В, Новикова Н.Н., и др. Соединение валов. Авт. свид. № 887824, Б.И. № 45, 1981.

58. Nesterov Vladimir, Sundberg Staffan, Sergeev Vilaly. Shafting Connection, European Patent № 0605372, 1996.

59. Nesterov Vladimir, Sundberg Staffan, Sergeev Vilaly. Shafting Connection, US Patent № 5,470,166, 1995.

60. Nesterov Vladimir, Sundberg Staffan, Sergeev Vilaly. Shafting Connection, Germany Patent № 69306926, 1996.

61. Nesterov Vladimir, Sundberg Staffan, Sergeev Vilaly. Shafting Connection, Sweden Patent № 92009, 1997.

62. Shaft Line. Technical Description and Operating Instruction, № 11150-074004, Severnoye Design Bureau, p. 35.