Ошибки в проектировании и расчете дизеля могут вызвать еще одно опасное явление в его работе, так называемые крутильные колебания. Они возникают следующим образом. Всякая упругая система, выведенная каким-либо путем из равновесия, приходит в колебательное движение. Такая система в зависимости от массы, формы и способа закрепления имеет собственную частоту колебаний, не зависящую от действующей силы.
Кроме того, система может подвергаться вынужденным колебаниям вследствие периодически действующих внешних сил. Если частота действия внешней силы совпадает с собственной частотой колебания тела или имеет кратную ей величину, то наступает явление резонанса с увеличением амплитуды колебаний в несколько раз. В судовых установках частота вращения, при которой наступает резонанс, называется критической. На судне крутильные колебания учитывают по расположений резонансной частоты вращения, по безопасности перехода через резонанс и по возможности работы дизеля на той или иной частое вращения. При этом предполагается, что в результате крутильных колебаний на отдельных участках вала возникают значительные дополнительные напряжения. По мнению специалистов, эта оценка правильна, но недостаточна. Важно также обращать внимание на величины развивающихся амплитуд крутильных колебаний валопровода. Часто дополнительные напряжения от крутильных колебаний незначительны, а амплитуды колебаний велики и они нарушают нормальную работу отдельных узлов энергетической установки.
Практически судовые механики не могут оценить величину амплитуды колебаний валопровода, так как для этого нет никаких приборов. Но как воздействуют большие амплитуды крутильных колебаний на систему двигатель — валовая линия — гребной винт, судовой механик знать обязан. Имея достаточно ясное представление о тех дефектах в установке, которые возникают под действием крутильных колебаний, механик во время профилактических осмотров обращает особое внимание на эти узлы.
Результаты воздействия крутильных колебаний на установку А. К. Урбанович представляет следующим образом.
Большая амплитуда крутильных колебаний гребного вала вызывает такие же колебания лопастей гребного винта, следствием чего являются пульсирующие изменения упора гребного винта и осевая вибрация валопровода. Вибрация может быть настолько сильной, что произойдет повреждение упорного подшипника. Если колебательные движения лопастей гребного винта будут иметь еще большую амплитуду, то в конусе гребного вала около ступицы винта возникнут напряжения кручения ударного характера и вал обломится по сечению основания конуса.
При большой амплитуде колебаний валопровода в местах установки шестерен или цепных звездочек приводов навешенных механизмов возникают чрезмерные дуговые перемещения зубцов. В результате возникновения ударной нагрузки будет происходить износ зубцов шестерен и звездочек и, возможно, обрыв щек звеньев цепей.
Следствием большой амплитуды крутильных колебаний коленчатого вала являются удары:
мотылевых шеек о подшипники, в результате чего заливка подшипников преждевременно разрушится;
в зазорах соединений движущихся деталей ЦПГ, после чего начнется вибрация остова дизеля, стуки и износ деталей ЦПГ.
Эта достаточно ясная картина воздействия крутильных колебаний на весь движительный комплекс судна подтверждается многими примерами.
Известны случаи, когда опасные крутильные колебания валов дизелей возникают не при полной нагрузке, а на холостом ходу. Примером может служить поломка коленчатого вала на правом дизеле теплохода «Грибоедов».
Энергетическая установка теплохода состоит из двух шестицилиндровых двухтактных дизелей Поляр, развивающих при частоте вращения 300 об/мин мощность по 1050 э л с. Дизели связаны с гребным валом при помощи двух электромагнитных муфт и зубчатого редуктора.
Во время реверсов дизели могут отключаться от муфты и работать вхолостую, при этом частота вращения их может повышаться до 360 об/мин.
Во время переменных ходов в Кильском канале в момент запуска правого дизеля послышался резкий стук в районе маховика. При разборке дизеля оказалось, что рамовая шейка № 8 (ближайшая к маховику) имеет излом по всей длине'от галтели щеки мотыля цилиндра № 6 кормового бурта коленчатого вала. Излом шел по линии, расположенной к оси вала под углом около 45°.
Исследование показало, что трещина развивалась постепенно, так как поверхность излома имела две зоны: в средней части — желтоватого оттенка, напоминающего цвет побежалости, на периферийных участках — следы свежего повреждения.
Известно, что крутильные колебания вызывают настолько большое трение внутри отдельных зон зерен (так называемых мозаичных блоков) у что температра их может достичь нескольких сот градусов. Характерное направление излома (под углом 45° к оси) указывало на то, что коленчатый вал подвергался значительным по величине переменным напряжениям скручивания.
Инспекция Регистра СССР, участвовавшая в разборе аварии, сделала предположение о том, что вал разрушился вследствие крутильных колебаний, а не в результате усталостных явлений, как было указано в судовом акте. Для проверки заключения Регистра были произведены торсиографические испытания левого дизеля на холостом ходу. Было выяснено, что наиболее опасным оказался шестой порядок колебаний с частотой вращения вала 320—340 об/мин, при котором амплитуда закручивания переднего конца вала достигала 0,01 рад. Расчеты напряжений при таком угле закручивания показали, что в первой от маховика шейке возникают напряжения скручивания, достигающие 28—30 кгс/мм2. Величины напряжений соответствуют пределам текучести конструкционных сталей типа Ст. 40 и намного превосходят пределы усталости для них.
Правый дизель со времени постройки до аварии проработал без поломок 34 784 ч. Это указывает на то, что усталостные явления здесь отсутствовали н трещина развивалась от крутильных колебаний только во время реверсов, а также при работе дизеля на холостом ходу с повышенной частотой вращения.
Закручивание коленчатого и гребного валов, описанное выше, более показательно на примере четырехтактного дизеля. За два оборота коленчатого вала одного цилиндра вал получает импульс, заставляющий его вращаться только в течение очень короткого времени (времени горения топлива в цилиндре и расширения образовавшихся газов). В это время частота вращения вала увеличивается, за все остальное время двух оборотов вала он вращается за счет этого импульса с различным замедлением в зависимости
от периода цикла.
В установке с шестицилиндровым четырехтактным дизелем крутящий момент изменяется три раза за один оборот вала приблизительно от +210 до —15% своего среднего значения. Отрицательная величина крутящего момента "означает, что трижды за один оборот коленчатого вала маховик и валопровод с винтом вращают вал дизеля, а не он вращает их. При большем числе цилиндров крутящий момент изменяется в меньших пределах, но все же колебания его довольно значительны. А так как вал является упругим телом, то, следовательно, в отдельные моменты равные сечения валопровода вращаются с разными скоростями. В результате стремлений вала под действием сил упругости сохранить свою форму и возникают крутильные колебания.
Вследствие неточностей в динамическом расчете нередко дизели в зоне номинальной частоты вращения испытывают значительную и неустранимую вибрацию. Таким недостатком, например, страдает дизель Бурмейстер и Вайн 550VTBF110. Следует отметить, что в 9-цилиндровом исполнении дизели этого типа постройки БМЗ не имеют такого недостатка. Вибрация не связана с крутильными колебаниями, однако она может вызвать трещины в машинной раме дизеля. Вибрация кормовой части наблюдается также у дизелей Зульцер RD90.
А. К. Урбанович приводит способы борьбы с крутильными колебаниями, небезынтересные для судовых механиков: установка противовесов на щеках коленчатого вала или маховика на носовом конце вала; изменение махового момента маховика или гребного вала; изменение размеров приставных валов; установка упругой муфты или удаление имеющейся; установка антивибратора или демпфера крутильных колебаний.
Любой из этих способов применяют только после подтверждений расчетом ожидаемого эффекта и с последующим торсиогра-фированием валовой линии.
Кроме того, система может подвергаться вынужденным колебаниям вследствие периодически действующих внешних сил. Если частота действия внешней силы совпадает с собственной частотой колебания тела или имеет кратную ей величину, то наступает явление резонанса с увеличением амплитуды колебаний в несколько раз. В судовых установках частота вращения, при которой наступает резонанс, называется критической. На судне крутильные колебания учитывают по расположений резонансной частоты вращения, по безопасности перехода через резонанс и по возможности работы дизеля на той или иной частое вращения. При этом предполагается, что в результате крутильных колебаний на отдельных участках вала возникают значительные дополнительные напряжения. По мнению специалистов, эта оценка правильна, но недостаточна. Важно также обращать внимание на величины развивающихся амплитуд крутильных колебаний валопровода. Часто дополнительные напряжения от крутильных колебаний незначительны, а амплитуды колебаний велики и они нарушают нормальную работу отдельных узлов энергетической установки.
Практически судовые механики не могут оценить величину амплитуды колебаний валопровода, так как для этого нет никаких приборов. Но как воздействуют большие амплитуды крутильных колебаний на систему двигатель — валовая линия — гребной винт, судовой механик знать обязан. Имея достаточно ясное представление о тех дефектах в установке, которые возникают под действием крутильных колебаний, механик во время профилактических осмотров обращает особое внимание на эти узлы.
Результаты воздействия крутильных колебаний на установку А. К. Урбанович представляет следующим образом.
Большая амплитуда крутильных колебаний гребного вала вызывает такие же колебания лопастей гребного винта, следствием чего являются пульсирующие изменения упора гребного винта и осевая вибрация валопровода. Вибрация может быть настолько сильной, что произойдет повреждение упорного подшипника. Если колебательные движения лопастей гребного винта будут иметь еще большую амплитуду, то в конусе гребного вала около ступицы винта возникнут напряжения кручения ударного характера и вал обломится по сечению основания конуса.
При большой амплитуде колебаний валопровода в местах установки шестерен или цепных звездочек приводов навешенных механизмов возникают чрезмерные дуговые перемещения зубцов. В результате возникновения ударной нагрузки будет происходить износ зубцов шестерен и звездочек и, возможно, обрыв щек звеньев цепей.
Следствием большой амплитуды крутильных колебаний коленчатого вала являются удары:
мотылевых шеек о подшипники, в результате чего заливка подшипников преждевременно разрушится;
в зазорах соединений движущихся деталей ЦПГ, после чего начнется вибрация остова дизеля, стуки и износ деталей ЦПГ.
Эта достаточно ясная картина воздействия крутильных колебаний на весь движительный комплекс судна подтверждается многими примерами.
Известны случаи, когда опасные крутильные колебания валов дизелей возникают не при полной нагрузке, а на холостом ходу. Примером может служить поломка коленчатого вала на правом дизеле теплохода «Грибоедов».
Энергетическая установка теплохода состоит из двух шестицилиндровых двухтактных дизелей Поляр, развивающих при частоте вращения 300 об/мин мощность по 1050 э л с. Дизели связаны с гребным валом при помощи двух электромагнитных муфт и зубчатого редуктора.
Во время реверсов дизели могут отключаться от муфты и работать вхолостую, при этом частота вращения их может повышаться до 360 об/мин.
Во время переменных ходов в Кильском канале в момент запуска правого дизеля послышался резкий стук в районе маховика. При разборке дизеля оказалось, что рамовая шейка № 8 (ближайшая к маховику) имеет излом по всей длине'от галтели щеки мотыля цилиндра № 6 кормового бурта коленчатого вала. Излом шел по линии, расположенной к оси вала под углом около 45°.
Исследование показало, что трещина развивалась постепенно, так как поверхность излома имела две зоны: в средней части — желтоватого оттенка, напоминающего цвет побежалости, на периферийных участках — следы свежего повреждения.
Известно, что крутильные колебания вызывают настолько большое трение внутри отдельных зон зерен (так называемых мозаичных блоков) у что температра их может достичь нескольких сот градусов. Характерное направление излома (под углом 45° к оси) указывало на то, что коленчатый вал подвергался значительным по величине переменным напряжениям скручивания.
Инспекция Регистра СССР, участвовавшая в разборе аварии, сделала предположение о том, что вал разрушился вследствие крутильных колебаний, а не в результате усталостных явлений, как было указано в судовом акте. Для проверки заключения Регистра были произведены торсиографические испытания левого дизеля на холостом ходу. Было выяснено, что наиболее опасным оказался шестой порядок колебаний с частотой вращения вала 320—340 об/мин, при котором амплитуда закручивания переднего конца вала достигала 0,01 рад. Расчеты напряжений при таком угле закручивания показали, что в первой от маховика шейке возникают напряжения скручивания, достигающие 28—30 кгс/мм2. Величины напряжений соответствуют пределам текучести конструкционных сталей типа Ст. 40 и намного превосходят пределы усталости для них.
Правый дизель со времени постройки до аварии проработал без поломок 34 784 ч. Это указывает на то, что усталостные явления здесь отсутствовали н трещина развивалась от крутильных колебаний только во время реверсов, а также при работе дизеля на холостом ходу с повышенной частотой вращения.
Закручивание коленчатого и гребного валов, описанное выше, более показательно на примере четырехтактного дизеля. За два оборота коленчатого вала одного цилиндра вал получает импульс, заставляющий его вращаться только в течение очень короткого времени (времени горения топлива в цилиндре и расширения образовавшихся газов). В это время частота вращения вала увеличивается, за все остальное время двух оборотов вала он вращается за счет этого импульса с различным замедлением в зависимости
от периода цикла.
В установке с шестицилиндровым четырехтактным дизелем крутящий момент изменяется три раза за один оборот вала приблизительно от +210 до —15% своего среднего значения. Отрицательная величина крутящего момента "означает, что трижды за один оборот коленчатого вала маховик и валопровод с винтом вращают вал дизеля, а не он вращает их. При большем числе цилиндров крутящий момент изменяется в меньших пределах, но все же колебания его довольно значительны. А так как вал является упругим телом, то, следовательно, в отдельные моменты равные сечения валопровода вращаются с разными скоростями. В результате стремлений вала под действием сил упругости сохранить свою форму и возникают крутильные колебания.
Вследствие неточностей в динамическом расчете нередко дизели в зоне номинальной частоты вращения испытывают значительную и неустранимую вибрацию. Таким недостатком, например, страдает дизель Бурмейстер и Вайн 550VTBF110. Следует отметить, что в 9-цилиндровом исполнении дизели этого типа постройки БМЗ не имеют такого недостатка. Вибрация не связана с крутильными колебаниями, однако она может вызвать трещины в машинной раме дизеля. Вибрация кормовой части наблюдается также у дизелей Зульцер RD90.
А. К. Урбанович приводит способы борьбы с крутильными колебаниями, небезынтересные для судовых механиков: установка противовесов на щеках коленчатого вала или маховика на носовом конце вала; изменение махового момента маховика или гребного вала; изменение размеров приставных валов; установка упругой муфты или удаление имеющейся; установка антивибратора или демпфера крутильных колебаний.
Любой из этих способов применяют только после подтверждений расчетом ожидаемого эффекта и с последующим торсиогра-фированием валовой линии.
Комментариев нет:
Отправить комментарий
Примечание. Отправлять комментарии могут только участники этого блога.