На правах рукописи

Брежнев Александр Викторович НОРМИРОВАНИЕ ВИБРАЦИИ ВИНТОРУЛЕВЫХ КОЛОНОК МОРСКИХ СУДОВ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИХ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ Специальность:

05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новороссийск - 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова (г. Новороссийск).

Научный консультант:

Кандидат технических наук, профессор Николаев Николай Иванович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Мышинский Эрнст Леонидович Кандидат технических наук, доцент Пальчик Казимир Беркович

Ведущая организация: ЗАО Совфрахт-Приморск (г. Приморск)

Защита состоится 24 ноября 2009 года в 10.30 часов на заседании диссертационного совета Д.223.007.01 Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93.

Автореферат диссертации разослан л октября 2009 года.

Ученый секретарь Хекерт Е.В.

2

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. На современных морских судах, наряду с использованием пропульсивного комплекса (ПК) с традиционной прямой передачей на винт, находят широкое применение в качестве главного движительно-рулевого устройства винторулевые колонки (ВРК).

Стремление судовладельцев к снижению расходов на непредвиденные аварийные ремонты судовых технических средств (СТС) и сокращению затрат на выполнение текущих работ вызывает огромный интерес и необходимость во внедрении современных диагностических методов и средств, для перехода обслуживания СТС по техническому состоянию.

Одним из наиболее эффективных методов диагностирования СТС является вибродиагностика, поскольку вибрация содержит важно необходимую информацию о состоянии системы.

Для выполнения контроля и выявления причин возникновения вибрации ВРК были проведены натурные исследования на морских судах с ВРК ведущих компаний Aquamaster (Ролс-Ройлс, Финляндия) и Schottel (Сименс, Германия). Исследования были направлены на получение параметров вибрации винторулевого комплекса на различных режимах эксплуатации судна, которые были систематизированы и легли в основу статистической обработки результатов и предложений по нормированию вибрации.

Требования руководящих документов (РД) и правила Классификационных обществ не предусматривают рекомендаций по методикам вибрационного контроля и вибрации ВРК, в связи с чем проблема повышения эффективности технической эксплуатации ПК морских судов с ВРК приобретает особую актуальность, и для перевода ВРК на ремонт по их техническому состоянию необходима разработка и обоснование рекомендаций по нормированию вибрации.

Диссертация посвящена решению важной научной задачи: экспериментальному определению и научно-обоснованному прогнозированию уровней вибрации ВРК морских судов в эксплуатации и разработке рекомендаций по их нормированию.

Объектами исследования являются ВРК морских судов.

Предмет исследования: контроль и нормирование вибрации ВРК морских судов в эксплуатации.

Цель работы состоит в формировании комплекса научно обоснованных технических решений, направленных на совершенствование технической эксплуатации ПК морских судов с ВРК путем разработки рекомендаций по нормированию вибрации.

Достижение поставленной цели осуществляется на основе решения следующих задач:

- анализ особенностей технической эксплуатации движительных комплексов и возможных методов контроля технического состояния;

- разработка методики исследования вибрационных характеристик ВРК;

- статистическая обработка результатов экспериментальных исследований ВРК Aquamaster и Schottel морских судов;

- разработки рекомендаций по нормированию вибрации ВРК.

Методы решения поставленных задач. В диссертации использованы:

известные научно достоверные экспериментальные и статистические методы исследования случайных функций распределения вибрации; моделирование на электронно-вычислительной машине с использованием средств пакета Maple 9.5 и сплайн-интерполяции экспериментальных данных.

База исследования. Работа выполнена на кафедре Судовые тепловые двигатели ФГОУ ВПО Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова. Экспериментальные исследования по теме диссертации проводились на морских судах и буксирах ЗАО Совфрахт-Приморск (порт Приморск), ОАО Флот НМТП (порт Новороссийск), ОАО Туапсинский морской торговый порт (порт Туапсе), ОАО Морской торговый порт Усть-Луга (порт Усть-Луга), Палмали - группа компаний.

Научная новизна работы заключается:

- создан информационно-статистический банк данных уровней вибрации ВРК разных производителей и типов судов, позволяющий выполнять статистическую обработку получаемых результатов;

- разработаны методики вибрационных исследований, предложения по оценке уровня виброскорости и нормы вибрации ВРК.

Практическая значимость работы. Результаты работы внедрены в ОАО Туапсинский морской торговый порт (порт Туапсе), ЗАО СовфрахтПриморск (порт Приморск), ОАО Морской торговый порт Усть-Луга (порт Усть-Луга). Научные результаты реализованы в Методиках контроля технического состояния ВРК (КС ВРК), согласованных и одобренных Главным Управлением Российского Морского Регистра Судоходства (ГУ РС) для проведения безразборного освидетельствования ВРК.

Достоверность научных результатов обеспечивается:

- проведением натурных испытаний с использованием комплекса методов вибрационного контроля; статистической обработкой результатов экспериментальных исследований; применением приборов и систем измерений, прошедших калибровку или метрологическую аттестацию в соответствии с ПР 50.2.009 - 94 (взамен ГОСТ 8.326Ц89).

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты контроля вибрации ВРК Aquamaster и Schottel морских судов и их статистическая обработка;

- нормы предельных оценок вибрационного состояния ВРК Aquamaster и Schottel морских судов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на совещаниях и конференциях:

- Региональная научно-техническая конференция (г. Владивосток, 2005);

- 8-й международный симпозиум Transport Noise and Vibration 2006 (г. Санкт Петербург, 2006 г.);

- В Новороссийском филиале Российского Морского Регистра Судоходства (РС) (г. Новороссийск, 2007 г.); на заседании секции научно - технического совета, отдел механического оборудования и систем ГУ РС РФ (г. Санкт Петербург, 2007 г.);

- Региональные научно - технические конференции в МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова (г. Новороссийск, 2005-2008 г.);

- Международная научно - техническая конференция Наука и Образование - 2008 в Мурманском государственном техническом университете (г.

Мурманск, 2008 г.);

- XVI Международная конференция. Математика. Экономика. Образование V Международный симпозиум. Ряды Фурье и их приложения (г. Новороссийск, 2008 г.).

Публикации. Представленная совокупность научных результатов и технических решений опубликована в 8 печатных работах, в том числе три в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав; заключения; библиографического списка (97 наименований) и приложений. Основное содержание изложено на 137 страницах и включает рисунков и 16 таблиц.

Содержание работы Во введении дается обоснование актуальности темы диссертации, определены цели и задачи исследования, изложены научные и практические результаты.

Первая глава посвящена анализу проблем технической эксплуатации и контроля технического состояния движительных комплексов и гребных валов морских судов.

Техническая эксплуатация движительных комплексов и гребных валов показывает, что повреждение валопроводов, дейдвудных подшипников и гребных винтов приводит к значительным затратам, зачастую связанных с потерей эксплуатационного времени, внеплановым ремонтом и т.д. Своевременное предупреждение и устранение неисправностей и отказов СТС является составной частью оптимизации эксплуатационных расходов ПК.

Совершенствованием технической эксплуатации движительных комплексов и гребных валов, занимались и занимаются множество организаций и научно-исследовательских институтов: ЗАО ЦНИИ МФ, ФГУП "ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова", ГУ РС, Государственная морская академия им. С.О. Макарова, Морская государственная академия им. адмирала Ф.Ф.Ушакова, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет и т.д.

Разработкой теории и расчетами движительных комплексов, изучением вопросов работы гребных валов, совершенствованием технической эксплуатации СТС и ПК занимались и внесли значительный вклад инженеры и ученые:

А.В. Андрюшин, Б.П. Башуров, М.Д. Генкин, Е.С. Голуб, Ф.М. Кацман Э.Л. Мышинский, Н.А. Решетов, Л.П. Седаков и др. Предложенные ими рекомендации и методики по диагностике и обеспечению вибрационного контроля СТС определяют важность перспективных задач по изучению вибрации и разработки норм.

Наряду с традиционными ПК (прямой передачей от двигателя на винт), применение на современных морских судах ВРК позволяет обеспечить надежность и компактность оборудования, а также снизить массу и уменьшить габариты машинного отделения. Лидерами в производстве и основными поставщиками ВРК на рынок судостроения являются фирмы: Aquamaster (Финляндия), Steerpro (Финляндия), Schottel (Германия), Niieagata (Япония) и т.д. (рис. 1).

а) линия вала без карданной передачи б) линия вала с карданной передачей Рис. 1. Пропульсивный комплекс с ВРК Отсутствие в РД и Правилах Классификационных обществ рекомендаций и нормативной документации в части нормирования вибрационных параметров ВРК налагает на судовладельцев требования по предъявлению Регистру составных элементов ВРК (предъявление в разобранном виде) связанные с необходимостью выведения судов из эксплуатации. Внеплановые операции по разборке и сборке ВРК усложняют систему технической эксплуатации судов и все это определяет острую необходимость в разработке норм на контролируемые в процессе эксплуатации параметры для перевода ВРК на ремонт по их техническому состоянию.

Проведенный анализ литературных источников и особенностей устройства ПК морских судов показывает, что эксплуатационники, разработчики и производители оборудования уделяют недостаточное внимание исследованиям ПК с ВРК и исходя из этого следует, что совершенствование технической эксплуатации морских судов с ВРК путем разработки и внедрения рекомендаций по нормированию вибрации является важной задачей для сокращения затрат, связанных: с разборкой и сборкой СТС; освидетельствованием ВРК в разобранном виде во время проведения классификационного ремонта; минимизацией затрат на приобретение сменно-запасных частей и повышение безопасности мореплавания.

Во второй главе рассмотрены объекты и методики исследования вибрационных характеристик ВРК (лAquamaster и Schottel) в условиях эксплуатации, а также наиболее распространенные методы контроля технического состояния СТС.

Применение на морских судах метода контроля по вибрационным параметрам дает возможность зафиксировать начальное техническое состояние СТС, в том числе и ВРК, отследить его изменение в процессе эксплуатации, обнаружить дефекты подвижных (вращающихся) элементов на этапе их зарождения и проследить за их развитием. На основе таких наблюдений (при условии их регулярности и периодичности) возможна оценка технического состояния и прогнозирование состояния на определенный период эксплуатации.

Контроль вибрационного состояния ВРК Aquamaster и Schottel проводился в период эксплуатации судов в соответствии с Методикой КС ВРК согласованной с ГУ РС для введения на морских судах системы контроля технического состояния винторулевой колонки и разработки рекомендаций по нормированию вибрации.

Оценки вибрационного состояния элементов ВРК выполнялись анализом уровней виброскорости в диапазоне частот 10 - 1000 Гц с помощью анализатора шума и вибрации типа SVAN 912АЕ (Польша), на различных режимах работы главного двигателя в диапазоне изменения частоты вращения от 55% до 100%, которые характерны для морских судов с ВРК, в соответствии со схемой установки акселерометров (рис. 2) в контрольных точках измерения: 1X, 1Y, 1Z - на переднем фланце ВРК после разобщительной муфты; 2X, 2Y, 2Z - на задней (кормовой) части корпуса верхнего редуктора; Z - на фланце крепления ВРК к корпусу судна.

Измерения выполнялись не менее 4-х раз в каждой точке с перерывом не менее 20 минут. Двигатели, системы и ВРК прогреты до рабочей температуры, режимы работы ПК установившиеся.

Полученные результаты измерений вибрации фиксировались в протоколе и заносились в реестр измерений и память персонального компьютера для хранения и обработки. Анализ и статистическая обработка результатов производилась в лабораторных условиях.

Рис. 2. Схема мест размещения акселерометров для получения оценки вибрационного состояния элементов ВРК Анализ результатов измерений включал:

- общую оценку технического состояния ВРК по среднеквадратичному значению (СКЗ) виброскорости;

- оценку технического состояния элементов ВРК на характерных частотах верхнего редуктора, промежуточного вала, нижнего редуктора, лопастной частоте гребного винта и частоте вала винта по результатам третьоктавного анализа вибрации.

Оценка технического состояния ВРК проводилась путем сравнения текущих значений уровней виброскорости с измерениями, проведенными на исправном механизме в начальный период эксплуатации судна, по следующим критериям:

а) общее состояние ВРК по СКЗ виброскорости в диапазоне частот 10 - 1000 Гц, если измерения проводились в отдельных третьоктавных полосах, то СКЗ виброскорости рассчитывался по формуле:

~ x = x i, (1) i=xi где - уровень виброскорости в i-той третьоктавной полосе в диапазоне 10 - 1000 Гц.

б) состояние основных узлов ВРК по СКЗ на характерных рабочих частотах в соответствующих третьоктавных полосах.

Экспериментальные исследования проводились на 40 ВРК, из них: