Дейдвудных подшипников и гребных валов

Условия работы дейдвудных устройств,

Основное влияние на конструктивные особенности и используемые материалы дейдвудных устройств (ДУ), дейдвудных подшипников (ДП) и гребных валов оказывают окружающая среда - забортная вода и силовые характеристики.

Судовые ДУ расположены в труднодоступной части судна - в кормовой, ниже ватерлинии.

1.1. Состав воды. Вода (как морская, так и речная) является весьма агрессивной коррозионной средой и способствует процессам интенсивной коррозии металлов. С целью предотвращения коррозионных процессов в ДУ используются коррозионно-стойкие материалы или конструктивно некоторые элементы ДУ и гребных валов защищаются от воздействия забортной воды. В химический состав природной воды входят минеральные химические вещества, которые находятся в различных формах ионно-молекулярного и коллоидного состояния. В состав пресной природной воды входят: главные ионы, содержащиеся в небольшом количестве, растворенные газы, микроэлементы и органические вещества. Особое положение занимают ионы водорода, присутствующие в небольшом количестве, но играющие важную роль в химических и биологических процессах [2].

Для количественной характеристики состава воды обычно используют показатель ее минерализации или солености, понимая под этим сумму концентраций всех обнаруженных при анализе минеральных веществ. Значения их концентрации обычно выражают в процентах по массе (либо в граммах на килограмм), обозначая эту величину символом ‰(промилле). Соленость воды также оценивается в процентах или в промилле.

Главными ионами природной воды являются хлоридные С1", сульфатные SО"₄, карбонатные СО"₃ и гидрокарбонатные НСО"₃ ионы, а также ионы металлов, например, Na" и др.

Средняя соленость поверхностных слоев Мирового океана равна 34,7‰ (3,47%). Соленость морей изменяется от 2 до 42‰. Сильно опреснен Арктический бассейн. Наибольшая соленость отмечается в морях, расположенных в тропических зонах по обе стороны экватора. Высока соленость внутренних морей в зонах с засушливым климатом. Так, в Средиземном море она составляет 37-38‰, в Красном - 40-42‰. Минимальную соленость имеет вода Балтийского моря - 2-5‰.

При различной солености воды океанов и морей соотношения между концентрациями главных ионов всегда одинаковы. На ионы С1" и Na" приходится 85,6% массы всех ионов.

Соленость воды в реках на два порядка меньше, чем в океане. В большинстве рек СНГ соленость не превышает 0,5‰, причем наибольшую концентрацию имеют гидрокарбонатные ионы. Вода отдельных рек в степях и полупустынях имеет повышенную соленость (до 5‰) с преимущественным содержанием сульфатных ионов.

Из растворенных в природной воде газов в наибольших количествах присутствует кислород (О₂) и двуокись углерода (СО₂.), в меньших количествах - сероводород (H₂S) и азот (N). В высоких широтах концентрация кислорода в океанской воде 8-9 мл/л, а в тропических широтах 4,3-5 мл/л. Наиболее насыщены кислородом поверхностные слои воды.

В результате восстановления сульфатов происходит насыщение морской воды сероводородом. Значительные концентрации серо­водорода обнаружены в глубинных слоях Черного моря, водообмен которых с поверхностью замедлен, в Индийском океане, у дна южной части Каспийского моря, в глубоких фиордах Норвегии.

1.2. Физические свойства морской и речной воды. Граничные пленки воды на поверхности твердого тела построены из ассоциированных молекул, что важно при использовании воды в качестве смазывающей жидкости. Существенны в этом отношении и ее теплофизические свойства. Вода имеет наибольшие (по сравнению с другими жид­костями) теплоемкость и скрытую теплоту парообразования.

Вязкость воды очень мала и резко снижается с ростом температуры и давления. Велики поверхностное натяжение воды и величина внутреннего давления (более 2000 МПа), поэтому сжимаемость воды значительно меньше, чем большинства других жидкостей, внутреннее давление которых находится в пределах 200-500 МПа.

Показатели физических свойств дистиллированной и морской воды различаются (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика	Соленость
0‰	3,5‰
Плотность, кг/м^3, при температуре
Поверхностное натяжение на границе с воздухом, Н/м, при 0 °С	74,64 • 10^-3	-
Вязкость, Па-с, при температуре, °С:
		-
Температура замерзания, °С		-1,91
Удельная теплоемкость, Дж/(кг • °С), при 0 °С
Удельная теплота испарения, Дж/кг, при температуре, °С:
	25 • 10^5	-
	22,57 • 10^5	-
Удельная теплопроводность, Вт/(м • °С)	0,599	-
Удельная электропроводность, I /(Ом • м), при 18 °С	4,41 • 10^-6	6,7 • 10^-6

1.3. Смазочное действие воды. Как морская, так и речная вода используется в качестве смазки в ДП. При исследовании граничного трения металлов в воде Б.В. Дерягин установил, что вода в тонких сло­ях на поверхности твердого тела обладает упругостью формы, характеризуемой измеримым модулем сдвига, который резко падает с увели­чением толщины слоя. Для дистиллированной воды модуль сдвига при толщине слоя 0,089 и 0,137 мкм равен соответственно 190 и 4 МПа, а при толщине 0,15 мкм и более равен 0. Растворение в воде хлористого натрия (приближение к составу морской воды) не влияет на упругие свойства и толщину адсорбируемого слоя независимо от концентрации раствора [3]. Позднее было установлено, что сдвиговая упругость тон­ких слоев воды увеличивается с введением в нее ПАВ, одновременно возрастает и толщина упругого слоя. Показано, что это способствует снижению износа при трении металлов, в частности, бронзы [2].

Описанное явление объясняется ориентацией молекул воды вбли­зи поверхности твердого тела. Ориентированные молекулы прочно связываются с твердой поверхностью, образуя молекулярную гранич­ную пленку. Пленка, построенная из ассоциатов молекул воды, служит основой, на которой образуются цепи дальнейших ориентированных молекул. Связь между последующими молекулярными слоями незна­чительна, что обусловливает легкость скольжения между ними и в не­которой мере смазочное действие воды.

При оценке особенностей воды как смазочной жидкости необходи­мо учитывать, что она более активно взаимодействует с материалами трущихся деталей, чем минеральные масла. По своей молекулярной структуре металлы являются гидрофобными телами, но при взаимо­действии с водой на их поверхности образуется пленка гидроокисей, которые делают поверхность гидрофильной. Эти пленки в процессе трения удаляются и воспроизводятся вновь.

Поведение воды в опорах скольжения в режиме гидродинамичес­кого трения определяется особенностями ее вязкостных и теплофизических свойств. Вода обладает весьма низкой вязкостью, примерно в 40 раз меньшей, чем у самых низковязких масел. По этой причине тол­щина разделительного слоя смазки небольшая. По данным А.К. Дьячкова, толщина несущего слоя воды примерно в семь раз меньше по сравнению с той, какой она была бы при тех же условиях, но в случае использования минерального масла.

Ужесточение условий эксплуатации при использовании ДП со смазкой маслом компенсируется некоторым уменьшением достаточно большой толщины смазочного слоя (при использовании масел с доста­точной вязкостью). При использовании в качестве смазки воды запас толщины ее слоя невелик. Неблагоприятные последствия экстремаль­ных эксплуатационных режимов при работе ДП должны предотвра­щаться путем улучшения антифрикционных характеристик материа­лов вкладышей ДП и сопрягаемых шеек гребных валов.

1.4. Нагрузочные характеристики. Масса гребного винта и гребного вала, как в статике, так и динамике, создает основную нагрузку на ДП. В связи с конструктивной возможностью свободного выбора традиционно длина ДП составляла величину L/D ³4 (где L - длина подшипника, a D - диаметр), благодаря чему удельные давления в дейдвуде невелики.

Условное удельное давление q в МПа на ДП рассчи­тывается по формуле

где Р — нагрузка на подшипник, мН;

D - диаметр подшипника, м;

L - длина подшипника, м.

Кроме статических на ДП действуют и динамические нагрузки:

инерционные усилия масс гребных винта и вала при качке судна на волнении; усилия от механической неуравновешенности гребного вин­та, взаимодействующего с корпусом судна; нагрузки, возникающие вследствие деформации корпуса судна и валопровода, расцентровки валопровода, износа опор скольжения и др. Расчеты инерционных уси­лий, возникающих при качке судна, выполненные на основании мето­дики Ю.А. Шиманского раздельно при бортовой и килевой качке на волнении двухвального судна при работающих винтах, показывают, что дополнительные нагрузки на гребной винт составляют соответ­ственно 22 и 79% по отношению к его массе [4].

Усилия от механической неуравновешенности гребного винта воз­никают вследствие статической (начальной) и динамической (приобре­тенной) неуравновешенности в процессе эксплуатации.

Центробежная сила статически уравновешенного винта не превы­шает 1% его веса [4].

Большое влияние на разбалансировку винта в процессе эксплуата­ции оказывает неравномерная коррозия и эрозия лопастей, а также ме­ханические повреждения, к которым можно отнести изгиб концов ло­пастей, выщербины кромок, отломанные части и др. Величина неурав­новешенности в этих случаях учету не поддается и может достигать больших величин.

Собственная гидродинамическая неуравновешенность винта при жестких допусках на неточность изготовления может быть сведена практически к нулю. Неуравновешенность, связанная с взаимодействи­ем гребного винта и корпуса, не может быть сведена к нулю и зависит от неравномерности поля скоростей воды, натекающей на винт.

Фундаменты опорных подшипников валопровода, дейдвудные тру­бы и кронштейны жестко связаны с основной базой - корпусом судна, который представляет собой деформируемую систему. Опоры вало­провода и дейдвуда смещаются, следуя за деформацией судна. Так как величины упругих деформаций корпуса зависят от массы конструктив­ных элементов, сил поддержания, от температуры окружающей среды и других факторов, то валопровод и гребной вал, уложенные правиль­но при одних условиях, в результате воздействия указанных сил на кор­пус окажутся расцентрованными при других. На величины относитель­ных смещений опор валопровода и гребного вала влияет общий изгиб корпуса судна и местный (изгиб днища) от массы груза и давления за­бортной воды [4].

Приближенная оценка взаимодействия корпуса судна и валопрово­да впервые была сделана Ю.А. Шиманским [3], который при изучении влияния общего изгиба корпуса исходил из того, что без особой по­грешности можно принять валопровод изгибающимся по той же упру­гой линии, что и корпус. В результате проведенных расчетов оказа­лось, что дополнительные реакции очень малы. Если рассматривать валопровод как балку на смещающихся опорах, не определяя формы его упругой линии, то наибольшие дополнительные нагрузки на опоры могут составлять существенную долю реакций от собственной массы.

В качестве антифрикционных материалов для изготовления вкла­дышей подшипников гребных валов, работающих при смазке забор­тной водой, применяют бакаут, резину, текстолит, ДСП-пластик, полиамид П-6 блочный (капролон В) и др. Подшипники, работающие при смазке минеральным маслом, снабжены антифрикционным слоем из баббита марок Б83 и Б83С. Условные давления на кормовые подшип­ники из этих материалов (отношение реакции опоры от действия веса гребного вала и винта к площади ее поперечного сечения) не должны превышать следующих величин (см. табл 2).

Отношение длины ДП к их диаметру регламентируется правилами Регистра. Для бакаута, резины, текстолита, древпластика и капролона оно соответствует: для кормовых - 4; для носовых - 1,5; для баббита -соответственно 2,0 и 0,8. Иногда допускается применение укороченных кормовых подшипников до 2D для подшипников с антифрикционным слоем из бакаута, резины, текстолита и капролона и до 1,2D для под­шипников с антифрикционным слоем из баббита. При этом удельные давления не должны превышать следующих величин, МПа.(см. табл. 2)

1.5. Скорость скольжения. В период реверсов скорость скольжения шеек гребных валов по отношению к вкладышам подшипников уменьшается, а в период работы валоповоротного устройства может составлять менее 0,1 м/с. Режим работы ДП в период реверсов является наименее благоприятным из-за резкого ухудшения условий смазки и охлаждения трущихся поверхностей. При использовании валопроводного устройства и недостатке смазки возможно развитие явлений схватывания и повышенного износа [2].

На режимах полного хода скорость скольжения в ДП составляет 6-10 м/с.

1.6. Температура подшипников. Определяется тепловыделением в зоне трения, температурой забортной воды и характеризуется температурой на выходе из кормового ДП. Эта температура обычно составляет от 15 °С при смазке водой и до 70 °С при смазке маслом. Максимальная температура в слое смазки может вдвое превышать эти средние значения [2].

Температура забортной воды изменяется от 0 °С в арктических бассейнах до 32 °С в экваториальных морях. При повышенной температуре морской воды соответственно повышается температура охлаждающей и смазывающей воды в ДП. Специально проведенными исследованиями установлено, чтопри этом интенсифицируется процесс изнашивания вкладышей ДП, особенно подшипников из термопластичных полимерных материалов с низкой теплостойкостью, и в частности, капролона [6].

1.7.Потери на трение. По данным литературы, например, при­веденным в источнике [4] и др., потери на трение в ДП скольжения составляют 1-1,5% от общей мощности судовой силовой установки.

1.8. Эксплуатационные особенности. Осмотр и ремонт ДП требует выемки гребного вала, докования либо (реже) дифферентования.

Быстрый износ дейдвудных подшипников связан с большими расходами - выводом судна из эксплуатации, постановкой в док и выполнением ремонтных работ по дейдвудному устройству. Эти рас­ходы можно снижать путем повышения износостойкости вкладышей ДП и шеек гребных валов, совершенствованием конструкции дейдвудов в целом и кормовых и носовых уплотнительных устройств.

Дата добавления: 2014-10-15