Расчет судового валопровода

 

 

 

РАСЧЕТ  СУДОВОГО ВАЛОПРОВОДА

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

 

Контрольная работа выполняется в соответствии с [1].

 

 

 

 

Исходные данные

Название параметра	Единица измерения	Численное значение
Номинальная эффективная мощность главного двигателя	кВт	750,0
Номинальная частота вращения коленчатого  вала двигателя	мин-1	150
Длина валопровода	м	9,00
Диаметр гребного винта	м	2,50
Дисковое отношение гребного винта	–	0,68
Расчетная скорость движения судна	км/ч	19,00
Передаточное отношение редуктора	–	1

 

Топливные фильтры применяются сдвоенные  для того, чтобы один можно было помыть.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Судовой валопровод работает в сложном напряженном состоянии. Он нагружен крутящим моментом; испытывает осевое сжимающее усилие от упора гребного винта на переднем ходу или растягивающее усилие на заднем ходу; изгибается под собственной массой и массой навешанных на него деталей. К тому же эти нагрузки переменны и цикличны.

Точный  расчет элементов валопровода при указанных условиях довольно сложен и требует ряд допущений. Поэтому при расчете принимаем, что валопровод подвергается только воздействию статического крутящего момента.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет диаметров валов в составе  валопровода

 

1.1. Правилами  Речного Регистра России (РРР)  предусматривается изготовление  промежуточных, упорных и гребных  валов из стальных поковок.  Для валов диаметром менее  150 мм допускается применение  обработанного стального проката.  Сталь для валов по [1] должна иметь временное сопротивление (предел прочности):

                                             

МПа.                                         (1)

1.2. Так  как по условию длина валопровода составляет 9,00м, то в соответствии с [1] принимаем схему линии валопровода, показанную на рис.1.

Рис. 1. Схема  линии валопровода

 

1.3. Диаметр промежуточного, упорного или гребного вала должен быть не менее определяемого по формуле:

                                       

мм;                                   (2)

где  R_m – временное сопротивление материала вала (если предел прочности

                материала вала более 600 МПа,  то в (2) R_m = 600 МПа), МПа;

         k – коэффициент, равный для:

–  упорных валов со шпоночными муфтами                               –   142;

– гребных валов на расстоянии менее 4-х диаметров гребного вала от носового торца ступицы гребного вала                                               –    160;

C_EW – коэффициент усиления, равный для:

– ледоколов  и судов ледокольного типа                                   –     1,07;

P_e – расчетная мощность, передаваемая валом (при отсутствии передачи равна эффективной мощности главного двигателя), кВт;

 n – расчетная частота вращения вала (при отсутствии понижающего редуктора равна номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя), мин^-1.

По формуле (2) расчет выполняем для каждого вала в составе валопровода.

Для гребного вала при диаметре гребного винта 2,5 м принимаем k=160, R_m = 600 МПа, C_EW = 1,07 по (2) получаем:

  (принимаем d_ГВ = 220 мм);

– для упорного вала со шпоночными муфтами:

(принимаем d_УВ = 195 мм).

1.4. Предварительно в соответствии с [1] принимаем длину упорного вала равной 2 м; тогда длина гребного вала составляет 9 – 2 = 7 м.

1.5. На  рис. 1 прописными буквами обозначены:

А – кронштейновый (подвесной) подшипник;

В – дейдвудный подшипник;

Е – упорный  подшипник.

1.6. Расстояния  между соседними подшипниками  на валопроводе регламентировано  РРР и составляет по [1]:

– при  заданном числе оборотов n=150 ≤ 350 мин^-1:

                                                

мм;                                            (3) 

                                                 

мм;                                              (4)

где  d – действительный диаметр вала, мм;

       k₁ – коэффициент, равный:

– для  опорных подшипников скольжения смазываемых маслом – 450;

–   для дейдвудных и кронштейновых (консольных) резиновых подшипников  с водяной смазкой                                                             – 300.

В соответствии с формулами (3) и (4) и рис. 1 имеем:

– для  гребного вала АВ:

= 2,58 м;

= 4,55 м.

Принятая  ранее длина гребного вала составляет 7,00м, что ориентировочно удовлетворяет условиям, указанным в [1]:

Полагаем a = 0,5 м; c = 2,5 м; тогда:

 ;

при этом удовлетворяются условия, указанные в [1]:

Далее, принимаем :

 м.

1.7. Расчетная схема валопровода с учетом рекомендаций, приведенных в [1], и выполненных расчетов показана на рис. 2.

 

Рис. 2. Расчетная  схема валопровода

 

 

 

2 Расчет прочности упорного вала

 

2.1 При проверке прочности вала рассчитывают пролет BE между дейдвудным и упорным подшипником. При этом по [1] для определения напряжений берется общий случай, когда между опорами имеется одно фланцевое (или муфтовое) соединение массой G₀ (рис. 3), вал нагружен равномерно распределенной нагрузкой от собственной массы, упором гребного винта и крутящим моментом от главного двигателя. Кроме того, на вал действуют дополнительные усилия от неточности монтажа (расцентровки валопровода).

В соответствии с рис. 2 рассматриваем пролет ВE между дейдвудным и упорным подшипниками (рис. 3).

Рис. 3. Участок ВE

 

2.2 Проверку прочности вала при сложном напряженном состоянии выполняют путем определения эквивалентных приведенных напряжений по энергетической теории прочности и расчетных запасов прочности по отношению к пределу текучести в соответствии с [1] по формуле:

                                             

МПа,                                     (5)

где   τ_K – касательное напряжение от кручения, кПа;

        σ_O – наибольшее нормальное напряжение, кПа.

2.3 Касательное  напряжение кручения вала находим  в соответствии с [1] по формуле:

                                     

кПа,                               (6)     

где   M_KP – крутящий момент, передаваемый валом, кН∙м;

        W_KP – момент сопротивления при кручении, м³;

         P_e – расчетная мощность, передаваемая валом, кВт;

           n – расчетная частота вращения вала, мин^-1;

        d_ПР – диаметр промежуточного вала, м.

С учетом числовых значений по формуле (6) получаем:

 кПа.

2.4 Наибольшее  нормальное напряжение по [1] равно:

                                               

кПа,                                   (7)

где   σ_СЖ – напряжение сжатия при действии упора гребного винта, кПа;

        σ_U – наибольшее расчетное напряжение при изгибе, кПа;

         σ_М – напряжение от неточности монтажа валовой линии, по [1] принимается равным  σ_М = 300∙10² кПа.

2.5 Напряжение  сжатия при действии упора  гребного винта находим по  формуле:

                                                  

кПа,                                            (8)

где   Р – упор гребного винта, в кН, определяемый по формуле:

                                 

кН,                             (9)

где   P_e – мощность потребляемая винтом (равна расчетной мощности передаваемой валом), кВт;

             v – расчетная скорость судна, м/с;

             η – пропульсивный КПД винта (0,45–0,65).

По формуле (8) с учетом числовых значений получаем:

 кПа.

2.6 Наибольшее  расчетное напряжение при изгибе  по [1] находим по формуле:

                                                

кПа,                                         (10)

где   M_U – максимальный изгибающий момент, кН∙м;

        W_U – момент сопротивления изгибу, м³.

На участке ВE имеется сосредоточенная нагрузка G_O, поэтому по [1] максимальный изгибающий момент равен:

                                     

кН∙м;                                   (11)

где   R_X – реакция левой опоры подшипника, кН;

        G_O – сосредоточенная нагрузка, кН;

         q – интенсивность нагрузки вала собственной массой, кН/м;

          х – расстояние между сосредоточенной  нагрузкой и левой опорой подшипника (рис. 3), м.

2.7 Опорную реакцию в соответствии с рис. 3 и [1] находим по формуле:

                                                 

кН,                                        (12) 

где  y – расстояние между сосредоточенной нагрузкой и правой опорой

             (см. рис. 3), м.

2.8 Интенсивность  нагрузки вала собственной массой  по [1] находим по формуле:

                                  

кН/м;                            (13)

где  γ  – масса единицы объема материала  вала, для стальных валов равная γ=78 кН/м³.

2.9 Сосредоточенная нагрузка от соединительной муфты:

                                              

кН.                                          (14)

С учетом числовых значений по формулам (14) и (12) имеем:

 кН;

 кН.

Далее, по формуле (11) имеем:

кН∙м.

По (10) получаем:

 кПа.

Наибольшее  нормальное напряжение по (7) равно:

 кПа.

Для участка  DE имеем по формуле (5):

 МПа.

2.10 По условию прочности промежуточного вала, запас прочности относительно предела текучести материала вала для участка ВE составляет:

                                   

                             (15)

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Расчет на прочность гребного вала

 

3.1 Проверочный расчет гребного вала производится для участка между опорами в дейдвудной трубе и консоли, на которой навешен гребной винт (рис. 4). Усилие от массы гребного винта G_B рассматривается как сосредоточенная нагрузка, приложенная в центре консоли.

Рис. 4. Расчетная схема гребного вала (участок AB)

 

3.2 Проверку  прочности вала при сложном  напряженном состоянии выполняют  путем определения эквивалентных  приведенных напряжений по энергетической  теории прочности и расчетных  запасов прочности по отношению  к пределу текучести:

                                        

МПа,                                      (16)