close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование технологии сборки крупногабаритных гребных винтов со съемными лопастями

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Васильев Андрей Владимирович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ
КРУПНОГАБАРИТНЫХ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ СО СЪЕМНЫМИ
ЛОПАСТЯМИ
Специальность 05.08.04 – Технология судостроения, судоремонта и
организация судостроительного производства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2018
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования «Государственный
университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Веселков Вячеслав Васильевич.
Официальные оппоненты:
Бурмистров Евгений Геннадьевич
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «ВГУВТ», профессор кафедры
проектирования и технологии постройки судов;
Рубан Анатолий Рашидович
кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО
«АГТУ», заведующий кафедрой судостроения и
энергетических комплексов морской техники.
Ведущая организация:
ФГУП
«Крыловский
научный центр».
государственный
Защита состоится 28 июня 2018 г. в 15-00 часов на заседании
диссертационного совета Д223.009.04 при ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени
адмирала С.О. Макарова» по адресу: 198035, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская,
д. 5/7, ауд. 235а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте: ФГБОУ ВО
«ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»:
https://gumrf.ru/naudejat/gna/dissov_22300904/zd22300904
Автореферат разослан «___»__________________2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
В.А. Жуков
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Условия арктического региона плавания требуют от
движительной системы корабля особой прочности ввиду возможности непосредственного взаимодействия движителя со льдом, достигающим в ряде случаев 3 метровой толщины. Этим требованиям сегодня в наибольшей степени
соответствуют сборные гребные винты, изготавливаемые из нержавеющих высокопрочных сталей марок 08Х14НДЛ и 06Х15Н4ДМЛ. В современной конструкции таких винтов используются лопасти с неплоским фланцевым соединением, вместо плоских (рисунки 1 и 2).
Рисунок 1- Винт с неплоским фланцевым
соединением
Рисунок 2- Винт с плоским фланцевым
соединением
Такое конструктивное решение и особенности материала, из которого изготавливаются данные винты, породили ряд проблем, без решения которых невозможно говорить об их производстве с обеспечением требований необходимой надежности. В частности, классические методы расчета плоских фланцевых соединений, в разработку которых значительный вклад внесли А.М. Басин,
В.Ф. Кацман, Г.М. Кудреватый и другие ученые оказались неприемлемыми в
случае выполнения оценки резьбовых соединений лопасти со ступицей с неплоским фланцем. Теоретические положения, связанные с технологией сборки
фланцевых соединений, разработанные И.А. Биргером, Б.Ф. Шорром, Р.М.
Шнейдеровичем, М.Л. Гельфандом и другими учеными не рассматривали особенности сборки крупногабаритных соединений, в которых массогабаритные
показатели и свойства материала вносят существенные поправки в технологию
сборки, поэтому нуждаются в существенной доработке. Кроме того, современная практика показала, что в процессе изготовления фланцевое соединение лопастей в виде цилиндрического сектора дополнительно требует повышенной
точности расточки отверстий, так как отверстия в ступице и ответные отверстия
в лопасти выполняются раздельно. В результате возникающие неточности приводят к возникновению дополнительного изгибающего момента при затяжке
болтов, порождающего эффект схватывания. Серьезные проблемы проявляются
и при затяжке болтов из нержавеющей стали, вследствие их склонности к закусыванию и схватыванию на контактных и резьбовых поверхностях. Последнее
резко снижает стабильность затяжки резьбовых соединений и значительно
4
усложняет технологию их выполнения. Известные исследования ученых А.С.
Иванова, И.А. Биргера, Д.Н. Решетова, Г.Б. Иосилевича выполнялись применительно к резьбовым соединениям диаметрами М8…М16, поэтому нуждаются в
серьезном развитии. Для снижения эффекта закусывания в настоящее время
используются различные антизадирные смазки на основе меди или диоксида
молибдена. Однако они не работают при приближении к окончательным усилиям затяжки 0,5…0,6σт. Поэтому поиск ответов на все вопросы, связанные с
совершенствованием технологии изготовления сборных гребных винтов из нержавеющей стали с цилиндрическими фланцевыми соединениями, является актуальной комплексной задачей современной технологии изготовления сборных
гребных винтов.
Целью данной работы является совершенствование технологии сборки
крупногабаритных составных гребных винтов из нержавеющих сталей, обеспечивающей исключение причин отказов в процессе сборки связанных с закусыванием контактных поверхностей винтовых соединений ступицы и лопасти.
Достижение поставленной цели выполнено на основе комплексного исследования существующих особенностей производства таких винтов.
Объектом исследования в работе являются гребные сборные винты из
нержавеющей стали имеющие значительные массогабаритные характеристики.
Предметом исследования в работе были технологические процессы
формирования соединений сборных гребных винтов, изготовленных из высокопрочных нержавеющих сталей и металлические покрытия для контактных
поверхностей, предполагаемые к использованию в качестве твердо-пластичной
смазки при сборке гребных винтов.
Методы исследования базировались на использовании конечноэлементного моделирования контактных воздействий при сборке гребных винтов и экспериментальных испытаний.
На основе результатов выполненных исследований в работе решены
следующие задачи:
• Установлены зависимости усилия затяжки от типа металла покрытия и
склонности такого покрытия к явлениям поверхностного задира и закусывания;
• Разработана технология, обеспечивающая гарантированную стабильность
процесса затяжки при сборке гребного винта, исключающая появление
задиров и закусывания для нержавеющих сталей при предельных усилиях
затяжки на базе результатов исследований физико-механических свойств
металлических покрытий;
• Разработан метод расчета неплоских фланцевых соединений гребных
винтов отличный от существующего метода расчета плоских соединений;
• Установлена взаимосвязь параметров резьбовых соединений с возникновением эффекта схватывания;
• Разработаны конструктивные и технологические методы и инструменты,
повышающие качество сборки высоконагруженных резьбовых соединений гребных винтов за счет исключения изгибающего момента в резьбе
при затяжке.
5
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
• новый метод расчета усилия затяжки для неплоского фланцевого соединения (в отличие от плоского соединения), исключающий появление задиров и закусывания в резьбе;
• новая технология сборки высоконагруженных фланцевых соединений
гребных винтов, использующая металлические покрытия в качестве твердо-пластичной смазки при высоких контактных давлениях, обеспечивающая стабильность процесса сборки;
• новые технологические и конструктивные методы и инструменты для
сборки гребных винтов, обеспечивающие стабильность процесса сборки и
затяжки за счет исключения изгибающего момента при затяжке без
уменьшения усилия затяжки и надежности соединения.
Научная новизна работы.
Впервые установлены закономерности между величиной усилия, типом
покрытия и возникновением явления схватывания, приводящего к дестабилизации процесса затяжки фиксирующих болтов при сборке гребных винтов;
Разработана новая методика расчета усилия затяжки, позволяющая определить силу воздействия на каждый крепежный элемент группового неплоского
фланцевого соединения методом конечно-элементного моделирования с целью
исключения схватывания при затяжке;
Впервые определены коэффициенты трения для покрытий, нанесенных
методом холодного газодинамического напыления на нержавеющий материал с
высокими прочностными свойствами;
Установлено влияние конструктивных особенностей на качественные параметры резьбы повышающих стабильность процесса затяжки резьбовых соединений за счет исключения задиров и схватывания в резьбе.
Теоретическая значимость работы заключается в установлении связи
между стабильностью процесса сборки гребных винтов и параметрами взаимодействующих поверхностей, технологией изготовления гребных винтов; установлении метода оценки распределения усилий на каждый элемент соединения
в неплоском фланцевом соединении с помощью средств конечно-элементного
анализа; разработке математических моделей, позволивших оценить влияние
конструктивных параметров соединения на распределение нагрузок на контактных поверхностях.
Практическая ценность работы.
- Значения коэффициентов трения для металлических покрытий, наносимых на
нержавеющую основу методом ХГДН;
- Конструкция высоконагруженного соединения (Пат. 2568172 РФ: МПК F16B
5/02), исключающая воздействие изгибающего момента при затяжке соединения, инструмент и технология сборки гребного винта, позволяющие выполнить
затяжку с усилием 240 тс ручным немеханизированным инструментом (Пат.
143563 РФ: МПК В25В 21/00) в том числе в особых условиях - под водой;
- Конструкция и технология сборки высоконагруженного термозатягиваемого
соединения, исключающая воздействие изгибающего момента на затяжку;
6
- Конструкция, технология изготовления и сборки соединения с использованием домкратных болтов, исключающая воздействие изгибающего момента на затяжку (Пат. 2501988 РФ: МПК F16B 5/02);
- Метод расчета группового неплоского фланцевого соединения;
- Технология затяжки высоконагруженных резьбовых соединений гребных винтов из нержавеющих сталей, обеспечивающая стабильность процесса затяжки
за счет исключения задиров и схватывания, повышающая качество сборки
гребного винта.
Достоверность теоретических и экспериментальных результатов исследований, проведенных соискателем, обеспечивается сертифицированным
программным обеспечением, реализующим метод конечно-элементного анализа,
применяемого для определения величины нагрузок на элементы резьбового соединения; использованием сертифицированного измерительного оборудования, прошедшего в установленном порядке поверку при замерах коэффициента трения, а
также результатами статистической обработки экспериментальных данных; непротиворечивостью полученных результатов и согласованием полученных теоретических результатов с данными экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на
международных, Всероссийских и региональных научно-технических и научнопрактических конференциях:
- Научно-техническая конференция «Взгляд в будущее-2013», ОАО ЦКБ «Рубин», 29-30 мая 2013 г., г. Санкт-Петербург;
- VI международная научно-практическая конференция «Инженерные системы2013», ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов», 2 апреля 2013
г., г. Москва;
- Научно-техническая конференция «Развитие Северо-Арктического региона:
проблемы и решения», ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный
университет», 26-28 марта 2013 г., г. Архангельск;
- Всероссийская молодежная научно-практическая конференция с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего», ФГАОУ ВПО
«Уральский федеральный университет», 14-16 ноября 2013 г., г. Екатеринбург;
- Научно-практическая конференция Севмашвтуза в рамках XLII Ломоносовских чтений, ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет», Институт судостроения и морской арктической техники (Севмашвтуз), 21
ноября 2013 г., г. Северодвинск;
- Международная конференция «Современные техника и технологии», ФГБОУ
ВПО «Национальный исследовательский томский политехнический университет», 14-18 апреля 2014 г., г. Томск;
- VII Международный Евразийский Симпозиум по проблемам надежности материалов и машин для регионов холодного климата, ФГАОУ ВО «СанктПетербургский политехнический университет имени Петра Великого», 1-3 декабря 2014 г., г. Санкт-Петербург;
- Шестая Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы морской энергетики» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет», 16-17 февраля 2017 г., г. СанктПетербург.
7
Реализация работы. Работа выполнялась в ФГАОУ ВПО «Северный
(Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова» на базе
Института судостроения и морской арктической техники (Севмашвтуз) при
поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Постановления
Правительства РФ от 9 апреля 2010 года №218 в рамках НИОКР «Освоение высокотехнологичного производства наукоемкой продукции – отечественных импортозамещающих движительно-рулевых колонок и их компонентов для судов
ледового класса» и при поддержке Министерства промышленности и торговли Российской Федерации в рамках ФЦП «Развитие гражданской морской техники на 20092016 годы». Результаты работы в виде методики, рабочей конструкторской документации (РКД), технологической документации (ТД) и опытных образцов
подтверждены актами испытаний опытных образцов, присвоением РКД литеры
«О» и актами одобрения классификационными обществами. Результаты работы
используются на предприятии ОАО «ЦС «Звездочка» и применены в проекте
пропульсивной системы для атомного ледокола ЛК60. Результаты данной работы могут использоваться в различных отраслях тяжелого машиностроения, судостроения, судоремонта, станкостроения, атомной промышленности.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 17 научных работ,
включая 6 публикаций в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 5 публикаций в журналах и научных сборниках, 1 публикация в зарубежных научных
сборниках. Получено 5 патентов на изобретение (№2501988; №256872;
№2488720; №143563; №160182).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, общих выводов, списка литературы. Общий объем диссертации
162 страницы, в том числе 60 рисунков,13 таблиц и 1 приложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы повышения качества
гребных винтов путем повышения качества сборки фланцевого соединения
«лопасть – ступица», обеспечения стабильности процесса сборки и затяжки.
Дан краткий обзор авторов по тематике обеспечения качества сборки резьбовых
соединений. Дана краткая характеристика направления работы, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы и основные положения,
которые выносятся на защиту. В первом разделе проанализированы факторы,
определяющие качество фланцевого соединения гребного винта, существующие современные методы расчета фланцевых соединений, их преимущества и
недостатки. Выявлено, что классические методики не учитывают особенности
расчета прочностных элементов гребных винтов, а именно не применяется
принцип пирамидальной прочности при расчете элементов гребного винта;
стандартные методики не учитывают неплоскую (изогнутую по цилиндру)
форму фланца лопасти, его переменную толщину, несимметричное расположение крепежных элементов и их разную длину, поэтому необходима разработка
нового метода расчета. Второй раздел посвящен разработке методов теоретического и экспериментального исследований, моделированию фланцевого соединения. Теоретические исследования проводились на основе математических
моделей, созданных в САПР Siemens NX8.5 и преобразованных в модуле NX
8
NASTRAN в конечно-элементные модели (КЭМ) с накладываемыми нагрузками и ограничениями (рисунок 3). Расчет КЭМ проводился в решателе
NASTRAN. Цель теоретического исследования: установить влияние конструктивных элементов фланцевого соединения гребного винта на распределение
усилий по виткам резьбы предельно нагруженного фиксирующего элемента для
уменьшения неравномерности распределения нагрузки; установить влияние,
предельной величины затяжки фиксирующих элементов гребного винта из нержавеющих материалов на прочность соединения при воздействии экстремальных внешних нагрузок.
Рисунок 3 - а) Осесимметричная конечно-элементная модель фланцевого соединения гребного винта с основными размерами и граничными условиями: 1 – болт; 2 – ступица; 3 – фланец
лопасти; 4 – отверстие для контроля вытяжки; 5-кольцевая выточка на фланце лопасти,
б) Увеличенный фрагмент конечно-элементной сетки
Одним из важных параметров при сборке соединений «лопасть-ступица»
является неравномерность распределения нагрузки в элементах крепления
гребного винта, оцениваемая по коэффициенту, равному отношению среднего
усилия в витках к усилию в максимально нагруженном витке Km=Pср/Pmax. Для
стальных болта и ступицы гребного винта при проведении расчетов принимается Km=0,56, рекомендуемый общими методиками расчета. Поскольку этот коэффициент существенно влияет на величину давления на поверхности витков
резьбы, то неизбежно влияет и на вероятность возникновения явления схватывания и закусывания. Увеличение коэффициента неравномерности уменьшает
контактные давления в резьбе, что снижает вероятность закусывания. При постановке задачи теоретического исследования для уменьшения вычислительных ресурсов и времени было принято: задача осесимметрична, витки резьбы
моделировались кольцевыми конусными выступами, влияние деформации кручения болта на распределение нагрузок в резьбе не учитывалось; материал соединения - изотропный, линейно-упругий - сталь; профиль наружной и внутренней резьбы метрический по ГОСТ 9150-2002; усилие затяжки моделировалось равномерно распределенным давлением q в зоне контакта головки болта и
9
фланца лопасти. Задача решалась методом конечных элементов. В процессе поиска решения варьировались следующие параметры: длина гладкой части болта; шаг резьбы; ширина кольцевой выточки на нижней поверхности фланца лопасти, введенная для разгрузки первых витков резьбы ступицы; относительная
разность шагов внутренней (ступица) и наружной (болт) резьбы δP=∆p/p. Результаты исследования обсуждены в разделе 3.
В разделе 2 пошагово показан процесс предлагаемого метода расчета неплоского соединения гребного винта арктического класса с цилиндрической
формой фланца лопасти. Новизна заключается в последовательном наложении
внешних нагрузок непосредственно на геометрию лопасти гребного винта с
учетом напряженного состояния крепежных элементов от предварительной затяжки и выполнением анализа соединения методом конечных элементов (КЭМ)
для выявления максимально нагруженного силового скрепляющего элемента
при нахождении его в группе на цилиндрическом неплоском стыке с разными
высотами расположения крепежа по толщине и углу стыка. Для сравнения:
классический способ предусматривает равномерное расположение силовых деталей на плоской окружности стыка. Анализ КЭМ проводится с целью наблюдения величин усилий, воздействующих на каждый из крепежных элементов
разной длины, находящихся в разных точках по глубине и азимуту в объеме
фланца цилиндрической формы. Определяются и задаются внешние нагрузки,
воздействующие на лопасть гребного винта, которые выявляются при эксплуатации судов, в том числе в ледовых условиях и разрабатывается схема сил,
прилагаемых на объемную геометрию пера лопасти. Внешними нагрузками являются гидродинамические и ледовые силы, величины которых определяются
на базе статистических исследований по методикам классификационных обществ. Вектора действия сил и точки их приложения вычисляются по гидродинамическим и эмпирическим законам (показано на рисунке 4). При расчете лопасть представляется балкой, закрепленной фиксирующими элементами к неподвижной ступице. Главные гидродинамические внешние воздействия – сила
упора и момент сопротивления гребного винта вращению раскладываются на
отдельные элементы
- момент от силы упора:
- момент от тангенсальной силы:
- момент от центробежной силы:
Силы от моментов передаются к поверхности разъема фланца лопасти и
центру тяжести крепящих элементов. Конечно-элементным анализом определяется величина максимального воздействия на крепежный элемент от действия
разрушающих сил. Определяется сила затяжки. Для ледовых условий эксплуатации рассчитываются силы по направлению движения судна Fь и в противоположном направлении Ff в зависимости от толщины льда и диаметра винта. Силы
прилагаются на определенные области с засасывающей и нагнетательной сторон лопасти.
10
Рисунок 4 - Внешние силы
Рассчитываются ледовые моменты, скручивающие лопасть относительно оси
ее поворота
и ледовые моменты сопротивления вращению
гребного винта
S qice — индекс прочности льда для ледового момента на лопасти
Далее определяются экстремальные нагрузки, разрушающие на лопасть:
Результатом конечно-элементного анализа является сила реакции опорной
части каждого элемента крепления в зависимости от предельной величины затяжки при условии нераскрытия стыка и с учетом обеспечения недопустимости
закусывания резьбы при сборке гребного винта. Теоретическая часть исследования показала, что достижение усилия затяжки с гарантированным нераскрытием стыка фланцевого соединения возможно при разработке нового нержавеющего материала, имеющего значительный предел прочности, по сравнению с
существующими сталями или устранением причин контактного схватывания
материалов или допущении неявного раскрытия стыка по отдельным элементам, что может привести к необеспечению работоспособности соединения.
Для выявления предельных практических усилий затяжки без угрозы появления схватывания при сборке соединений гребных винтов в разделе 2 поставлена задача экспериментального исследования поведения металлических
покрытий для пар трения из нержавеющих высокопрочных сталей, работающих
при высоких контактных давлениях. Объектом исследований являлись покрытия из различных металлов, нанесенных на нержавеющую основу методом холодного газодинамического напыления (ХГДН) и изучалась стабильность сдви-
11
га контактирующих поверхностей в предположении, что покрывающий металл
работает как твердо-пластичная смазка. Исследование проводилось на базе
оценки коэффициента трения. Метод ХГДН был выбран по условиям высокой
адгезии мягких металлов (Cu, Al, Zn, Pb) к основному материалу – высокопрочной нержавеющей стали и по сравнению с другими видами нанесения покрытий (гальванические, плазменные). Метод ХГДН наиболее хорош из-за отсутствия термического и химического воздействия на основу.
На рисунке 5 представлено поперечное сечение шлифа покрытия, полученного методом ХГДН. Данное покрытие очень прочно. Связь с основным металлом не разрушается при высоких контактных давлениях, покрытие не отрывается от основного металла.
Рисунок – 5 Покрытие нанесенное методом ХГДН
Для исследований влияния физических свойств покрытия на коэффициент трения применили специально разработанный стенд на основе измерительных тензодачиков. Исследовались пары нержавеющих сталей 07Х16Н4Б-Ш
(материал болта) и 08Х14НДЛ (материал ступицы гребного винта) при изменяемых параметрах давления и угла поворота образцов для определения усилий
при которых возникали задиры и появлялось схватывание контактных поверхностей; определялись оптимальные сочетания материалов металлических покрытий, исключающих закусывание для нержавеющих сталей.
Силу трения измеряли при вращении подвижного образца специально
спроектированным моментным ключом на основе тензодатчика U2A-kN. Первичные сигналы с тензодатчиков одномоментно регистрировались тензостанцией ZET 017-T8 и записывались в виде графиков, как функция от пути трения
в SCADA-системе ZETView. Среднее расчетное нормальное давление на поверхностях трения рассчитывали по формуле pN = N/AF.
Исследования проводились согласно схеме эксперимента, показанной на
рисунке 6.
12
Рисунок 6 - Схема эксперимента: 1-подвижный образец; 2-неподвижный образец
В экспериментах использовали подвижный (1) и неподвижный (2) образцы из испытуемых материалов, имеющие плоские кольцевые поверхности.
Нормальное давление создавалось силой N, приложенной к подвижному образцу по оси вращения. Силу N измеряли S-образным тензодатчиком UU-100kN.
Коэффициент fF трения по всей поверхности принимали постоянным. В
этом случае момент силы трения относительно оси вращения определялся по
− приведенформуле: МF = NfFDF. Отсюда, fF = MF/(NDF), где
ный диаметр сил трения. Данные из системы ZETView передавались в редактор
MS Exсel. Получили зависимости расчетного коэффициента трения fF и среднего нормального давления.
Выводы по второму разделу:
- разработан метод в виде математической модели фланцевого соединения
гребного винта, позволяющей решить задачи теоретического исследования, такие как установление зависимостей между величиной нагрузки от затяжки,
действующей на крепящий элемент и предлагаемыми методами, выравнивающими нагрузку по виткам резьбы данного элемента, тем самым не допуская
возникновение очагов избыточного контактного давления приводящих к закусыванию;
- разработан опытный стенд как инструмент проведения экспериментального
исследования, определена задача экспериментального исследования, заключающаяся в обосновании возможности использования металлических покрытий в
качестве твердо-пластичной смазки.
В третьем разделе обсуждены результаты исследований и их применение в конкретных конструкциях. Теоретическое исследование методом КЭА
показало влияние параметров соединения на распределение нагрузки по виткам
в резьбовом соединении. Оценка влияния производилась по условию прочности
резьбы
с определением коэффициента неравномерности распределения нагрузки по виткам Km:
1. Для болтового соединения М100×4 распределение относительной нагрузки
Pi/PЗАТ по виткам резьбы показано на рисунке 7. Расчетная величина коэффици-
13
ента Km, отличается от значения, принимаемого в расчетах 0,56 на 5% и равна
Km=0.532.
Рисунок 7 - Распределение нагрузки по виткам резьбы для болтового соединения:
М100×4; LС=94мм (23 витка); LГ=100мм; δP=0; без кольцевой выточки; PЗАТ=1900 кН, расчетное значение Km=0.532
2. Изменение шага резьбы не влияет на величину коэффициента Km.
3. Заметное влияние на величину коэффициента Km оказывает длина гладкой
части болта. При изменении длины величина Km изменяется от 0.504 до 0.553
(на 10%). Распределение относительной нагрузки Pi/PЗАТ по виткам резьбы показано на рисунке 8.
Рисунок 8 - Распределение нагрузки по виткам резьбы для болтового соединения
М100×4, LС=94мм (23 витка), δP=0, без кольцевой выточки, PЗАТ=1900 кН: I - LГ=70мм
расчетное значение Km=0.504; II - LГ=150мм расчетное значение Km=0.553
Наличие кольцевой выточки на поверхности стыка одной из соединяемых
деталей вокруг отверстия под болт существенно повышает величину Km до
0,670 за счет увеличения податливости первых витков резьбы ступицы.
4. Разность шагов внутренней и наружной резьбы ∆p оказывает самое большое
влияние на распределение нагрузки по виткам резьбы затянутого болтового соединения. При ∆p<0 величина Km снижается, сильнее нагружаются первые витки резьбы, а при увеличении ∆p>0 величина Km сначала увеличивается, затем
снова снижается за счет повышения нагрузки на последние витки. При этом
снижение нагрузки на наиболее нагруженный виток составляет 30…36% по
сравнению с резьбой одинакового шага. На рисунке 9 показано распределение
относительной нагрузки Pi/PЗАТ по виткам резьбы.
14
Рисунок 9 - Распределение нагрузки по виткам резьбы для болтового соединения М100×4,
LС=94мм (23 витка), LГ=100мм, bВ =0, PЗАТ=1900 кН: I - ∆p=−1мкм, Km=0.475; II - ∆p=1мкм,
Km=0.65; III - ∆p=2мкм, Km=0.69; IV - ∆p=3мкм, Km=0.81; V - ∆p=4мкм, Km=0.79
Таким образом, можно заключить, что эффективно снизить неравномерность нагрузки в витках резьбы в соединениях сборных гребных винтов можно
кольцевой выточкой на поверхности стыка фланца лопасти вокруг отверстия
под болт или увеличением шага внутренней резьбы в ступице по сравнению с
шагом резьбы болта.
По результатам экспериментального исследования, которое проводилось
на подвижных образцах из нержавеющей стали (материал болтов) с механическими характеристиками: σ0.2=690МПа, σВ=840МПа; с неподвижными образцами из нержавеющей стали (материал гайки) с механическими характеристиками: σ0.2=510МПа, σВ=650МПа; и с неподвижными образцами из бронзы (материал гайки), которые использовались в качестве базы сравнения, так как опыт
эксплуатации показал, что меньше всего отказов по причине закусывания возникает при затяжке высоконагруженных резьбовых соединений с болтами из
нержавеющих сталей и ступицами из бронзы. Использовались пары образцов с
покрытием и без и подвижные образцы с покрытием медью (Cu), алюминием
(Al) или цинком (Zn), выполненные газодинамическим напылением. Образцы с
покрытиями и без покрытий испытывались как со смазкой, так и без смазки.
Было реализовано два варианта нагружения:
1-й вариант - при ступенчатом нагружении А повышение давления (имитация реальной затяжки) происходило с шагом 40 МПа (10 ступеней) до расчетных давлений на контактных поверхностях, составляющих для нержавеющей стали – 170÷240 МПа; для бронзы – 60÷85 МПа. Путь трения на каждой
ступени составлял SF =12…15мм, что соответствовало повороту головки болта
на угол 17о…40о. Было выявлено, что реальный путь трения намного больше
расчетного и составил 60÷70 мм, что соответствовало затягиванию болта
М100×4 на угол ~100о. Увеличенный путь трения объясняется наличием упругих зазоров между контактными поверхностями.
2-й вариант - при постоянном нагружении В давление (70, 140, 227,
370МПа) прикладывалось сразу и поддерживалось неизменным на всем пути
трения для выяснения влияния силы давления и пути трения на условия появления задиров и схватывания. Было выявлено, что максимальный путь трения
без повышения коэффициента трения и без образования задиров (схватывания)
15
составил 150÷160 мм, т. е. пол-оборота. Типичные результаты экспериментов
приведены на графиках (рисунки 10, 11).
Рисунок 10 - Графики зависимостей расчетного коэффициента трения, среднего нормального
давления на поверхности трения как функции пути трения для пары образцов 08Х14НДЛ07Х16Н4Б, нагружение А (ступенчатое), без покрытия поверхности трения, смазка антизадирная OKS245
Рисунок 11 - Графики зависимостей расчетного коэффициента трения, среднего нормального
давления на поверхности трения как функции пути трения для пары образцов 08Х14НДЛ07Х16Н4Б, нагружение В (постоянное), поверхность трения подвижного образца покрыта
медью, смазка антизадирная OKS245
По итогам экспериментального исследования установлена взаимосвязь
между стабильностью процесса затяжки и состоянием поверхностного слоя:
1. Чем выше создаваемое давление на поверхности резьбы, тем меньший оборот можно сделать при пониженном и стабильном коэффициенте трения.
2. В паре трения сталь по стали без покрытия и смазки схватывание возникает
уже при давлениях, превышающих 40 МПа, что намного меньше расчетного
(170÷240 МПа), и имеет место на коротком пути трения (поворот болта на 15
град.), также меньшем расчетного в 3 раза. Это подтверждает склонность пары
нержавеющих материалов к схватыванию и здесь следует отметить возможную
существенную недотяжку болта до появления момента схватывания.
16
3. В паре трения сталь - бронза без смазывания и при максимальном давлении
380 МПа схватывание не наблюдалось, хотя здесь существенно превышен предел текучести бронзы (245 МПа).
4. В парах трения сталь−сталь с покрытиями Cu и Al со смазыванием и без схватывания не наблюдалось. Работа этой пары образцов соответствовала работе пары сталь−бронза. Причем покрытие Al имеет меньший коэффициент трения, чем покрытие Cu. Покрытие Cu в реальной паре трения не исключает схватывания. Следовательно, давление в реальных соединениях значительно выше,
чем в экспериментальных образцах.
5. Покрытие Zn не исключает схватывания.
6. Резкое страгивание (рывком) наблюдалось только для образцов без покрытий
и смазочного материала. Для остальных вариантов коэффициент трения после
страгивания плавно снижался до указанного в таблице значения на указанном
пути трения и стабилизировался, после чего он начинал увеличиваться.
7. Применение смазочного материала снижает коэффициент трения и увеличивает поворот болта в 1,5÷3 раза, однако момент затяжки реальных болтов не
уменьшается.
Для удобства и наглядности результаты экспериментов сведены в таблицу 1.
Представленные результаты исследования достаточно полно отразили
сущность процесса схватывания и образования задиров. Следующим этапом
работы была разработка патентных конструкций, обеспечивающих стабильный
процесс затяжки за счет снижения/исключения момента, скручивающего стержень болта во время затяжки. Рассмотрены три направления конструкторскотехнологических разработок, позволяющих внедрить результаты проведенного
исследования по исключению схватывания на контактных поверхностях и
устранению изгиба при затяжке от действия рычажного ключа с обеспечением
требуемого усилия затяжки.
Первая конструкция – спецболт (Пат.2501988 РФ: МПК F16B 5/02) – это
соединение, получаемое вытяжкой основного (несущего) болта при помощи
дополнительных домкратных болтов, расположенных по кругу в головке основного болта. Пошагово, в табличной форме разработан метод расчета оптимальной конструкции «Спецболт». Для практического использования разработанная методика реализована в виде файла MSExcel «Расчет параметров
спецболта.xlsx». При проектировании соблюдены основные требования технологичности, достигаются минимальные габариты конструкции. Расчет каждого
установочного комплекта ведется одновременно для 27 вариантов количества
домкратных болтов z=4…30, что позволяет выбрать наиболее подходящий вариант по габаритам узла и моменту затяжки домкратных болтов или по сочетанию параметров. Конструкция показана на рисунок 12.
17
Таблица 1 - Результаты экспериментов по определению коэффициентов трения
покрытий, нанесенных методом ХГДН и их стойкости к схватыванию
18
Рисунок 12 - Спецболт:
поз. 1 – основной болт;
поз. 2 – домкратные болты;
поз. 3 – шайба упорная.
Пат.2501988 РФ: МПК F16B 5/02.
Рисунок 13 - Спецшпилька состоит из:
поз.1 – шпилька, поз. 2 – резьбовая втулка;
поз. 3 – гайка; поз. 4 – шайба.
Пат. 2568172 РФ: МПК F16B 5/02
Вторая конструкция - термоболт – это соединение, получаемое за счет
вытяжки болта с использованием эффекта теплового расширения материала,
нагреваемого тремя термоэлектрическими элементами, размещенными внутри
болта. Эффективно нагреваемая часть стержня болта приводит к смещению
опорной поверхности головки болта, что используется для дополнительного
вкручивания болта. При термозатяжке не должно происходить изменение механических свойств материала болта по условию
, где [T ] - допускаемая температура, которая не должна превосходить температуру рекристаллизации материала болта Tк. При проектировании соединения следует выбирать
длину гладкой части по возможности большей. Для исключения заклинивания
при нагреве вследствие увеличения диаметра и шага резьбы болта при отсутствии теплового расширения внутренней резьбы в ступице варьируется сочетание полей допусков внутренней и наружной резьбы. Также берется в расчет
время нагрева в пределах 120..240 с, регулируемое мощностью нагревателей.
Пошагово, в табличной форме разработан метод расчета оптимальной конструкции «Термоболт». Для практического использования разработана методика, которая реализована в виде файла MSExcel «Расчет оптимального термоболта.xlsx».
Третья конструкция – спецшпилька (Пат. 2568172 РФ: МПК F16B 5/02) –
это соединение, получаемое за счет вытяжки шпильки (показано на рисунке
13). В данной конструкции для затягивания гайки (поз.3) используется специальный рычажный ключ (Пат.143563 РФ: МПК B16B 21/00), позволяющий выполнять затяжку без применения механизированного инструмента. Для практического использования разработана методика, которая реализована в виде файла MS Excel «Расчет оптимальной конструкции спецшпильки.xlsx».
Выводы по разделу 3 следующие:
- теоретическая часть исследования показала, что достижение усилия затяжки с гарантированным нераскрытием стыка фланцевого соединения воз-
19
можно при разработке нового нержавеющего материала, имеющего значительно высокий предел прочности, по сравнению с существующими сталями или
при допущении неявного раскрытия стыка по отдельным элементам, что в критической ситуации приведет к отказу работоспособности соединения;
- теоретическим исследованием установлена зависимость величины
нагрузки крепежного элемента от конструктивных особенностей фланцевого
соединения влияющих на равномерность распределения нагрузки и наличие/отсутствие схватывания на контактных поверхностях высокопрочных нержавеющих сталей;
- экспериментальное исследование в продолжение теоретической части
подтверждает гипотезу о возникновении контактного схватывания нержавеющих сталей вследствие избыточного давления на контактных поверхностях при
неравномерном нагружении и подтверждает возможность использования технологических металлических покрытий, наносимых методом холодного газодинамического напыления в качестве твердо-пластичной смазки для устранения причин контактного схватывания высокопрочных нержавеющих сталей.
После разработки рабочей конструкторской документации для всех конструкций на наиболее востребованный типоразмер М100х4, были изготовлены
и проведены испытания с полномасштабными деталями на специально спроектированном стенде испытаний, имитирующим соединение фланца лопасти и
ступицы. Испытания показали работоспособность изделий, отсутствие явлений
схватывания и закусывания в резьбе, достижение требуемой вытяжки
0,25…0,28 мм основного болта (шпильки) при использовании ручного немеханизированного инструмента (обычного гаечного ключа). Работоспособность
конструкций подтверждена актами испытаний и рекомендована к внедрению с
присвоением РКД литеры «О». Получено одобрение Российского морского регистра судостроения (РМРС) на применение конструкций в пропульсивных системах судостроительной промышленности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится
решение актуальной научно-технической задачи по совершенствованию технологии сборки крупногабаритных гребных винтов со съемными лопастями из нержавеющих сталей, обеспечивающей исключение причин отказов в процессе
сборки связанных с закусыванием контактных поверхностей винтовых соединений ступицы и лопасти, имеющее важное значение не только для отраслей судостроения и судоремонта, но в том числе машиностроения, станкостроения, мостостроения, атомной промышленности и других.
2. Установлена взаимосвязь и разработаны методы по обеспечению гарантированной стабильности процесса сборки гребных винтов на базе результатов исследований металлических покрытий в качестве твердо-пластичных смазок, исключающих закусывание контактных поверхностей.
4. Разработан новый метод расчета для неплоских фланцевых соединений цилиндрической формы.
20
5. Установлено влияние конструктивных параметров соединений гребных винтов на равномерность распределения нагрузки с целью исключения схватывания.
6. Результаты исследований реализованы в конкретных рабочих конструкциях
(Пат.2501988 РФ: МПК F16B 5/02; Пат. 2568172 РФ: МПК F16B 5/02), технологических методах (Пат.160182 РФ: МПК F16B 39/00), инструментах (Пат.143563
РФ: МПК B16B 21/00), проведены испытания конструкций в реальном масштабе, доказавшие свою работоспособность и повышающих качество сборки высоконагруженных соединений.
Результаты работы в виде РКД и ИТД используются на АО «ЦС «Звездочка» в различных проектах гребных винтов. Впервые определены коэффициенты трения для металлических покрытий Cu, Al, Zn нанесенных методом
ХГДН, которые используются на АО «ЦС «Звездочка» при проектировании
различных деталей с антифрикционными свойствами. Результаты работы рекомендуется использовать в различных конструкциях на предприятиях судостроительной, машиностроительной, атомной, мостостроительной, станкостроительной отраслях.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Работы, опубликованные автором в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК:
1. Васильев А.В. Исследование поведения покрытий на нержавеющих материалах в условиях высоких контактных нагрузок / В.В. Веселков, Н.В. Лобанов,
А.В. Васильев // Вестник Государственного университета морского и речного
флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2017. — Т. 9. № 6. – С. 1234-1241.
2. Васильев А.В. Метод расчета сборных гребных винтов/ В.В. Веселков, А.В.
Васильев // Речной транспорт (XXI век). — 2017. — №4. – С. 44-48.
3. Васильев А.В. Определение фрикционных характеристик материалов резьбовых соединений сборных гребных винтов / В.И. Малыгин, Н.В. Лобанов, А.В.
Васильев // Вестник МГТУ «Станкин». — 2014. — №1. – С. 33-38.
4. Васильев А.В. Экспериментальное исследование влияния состояния резьбовых поверхностей на затяжку высоконагруженных болтовых соединений / В.И.
Малыгин, Н.В. Лобанов, А.В. Васильев // Вестник машиностроения. — 2014. —
№6. – С.50-54.
5. Васильев А.В. Фрикционные характеристики материалов резьбовых
соединений сборных гребных винтов / В.И. Малыгин, Н.В. Лобанов, А.В.
Васильев //Тяжелое машиностроение. — 2014. — №11-12. – С.36-49.
6. Васильев А.В. Определение фрикционных характеристик материалов резьбовых соединений сборных гребных винтов / В.И. Малыгин, Н.В. Лобанов, А.В.
Васильев // Машиностроение и инженерное образование. – 2013. – №3. – С. 2834.
7. Васильев А.В. Распределение нагрузок в витках резьбы болтовых соединений
сборных гребных винтов / В.И. Малыгин, Л.В. Кремлева, Н.В. Лобанов, А.В.
Васильев // Тяжелое машиностроение. — 2014. — №8. – С. 25-29.
21
В других изданиях:
8. Васильев А.В. Разработка новых способов и конструкций высоконагруженных резьбовых соединений сборных гребных винтов / И.С. Тягин, А.В. Васильев // Материалы XI молодежной НТК «Взгляд в будущее-2013». – СанктПетербург: ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», 2013. – С. 555 - 574.
9. Васильев А.В. Исследование и разработка высоконагруженных резьбовых
соединений для гребных винтов судов ледового класса / В.И. Малыгин, Н.В.
Лобанов, А.В. Васильев // Сборник докладов НПК Севмашвтуза в рамках XLII
Ломоносовских чтений. – Северодвинск: САФУ, 2013. – С. 11-15.
10.
Васильев
А.В.
Фрикционные
характеристики
материалов
высоконагруженных резьбовых соединений / В.И. Малыгин, Н.В. Лобанов, А.В.
Васильев // Сборник материалов всероссийской молодежной НТК с
международным участием. – Екатеринбург: УРФУ, 2013. – С. 230-235.
11. Васильев А.В. Влияние качества резьбы на затяжку высоконагруженных
болтовых соединений металлоконструкций / В.И. Малыгин, Н.В. Лобанов, А.В.
Васильев //«Труды VI международной НПК «Инженерные системы-2013». - М.:
РУДН, 2013. – С. 230-235.
12.
Васильев
А.В.
Фрикционные
характеристики
материалов
высоконагруженных резьбовых соединений / В.И. Малыгин, Н.В. Лобанов, А.В.
Васильев // Надежность инструмента и оптимизация технологических систем.
Сборник научных работ. Выпуск 32. – Украина, Краматорск: Донбасская
государственная машиностроительная академия, 2013.– С. 418-425.
Патенты
13. Пат.143563 РФ: МПК B16B 21/00. Устройство для затяжки гайки на
шпильке в высоконагруженном соединении деталей / Малыгин В.И., Лобанов
Н.В., Васильев А.В., Рохин О.В. (РФ). — Заявлено 03.04.2014: Опубл.
27.07.2014, Бюл.№21.
14. Пат.2488720 РФ: МПК F16B 39/00,31/00. Способ создания дополнительного
натяга в резьбовом соединении деталей / Малыгин В.И., Лобанов Н.В.,
Васильев А.В. (РФ). — Заявлено 08.11.2011: Опубл.27.02.2013, Бюл.№21.
15. Пат.160182 РФ: МПК B16B 39/00. Устройство стопорения болта (гайки) с
вытяжкой домкратными болтами в высоконагруженном соединении деталей /
Малыгин В.И., Лобанов Н.В., Васильев А.В. (РФ). — Заявлено 06.03.2014:
Опубл. 10.03.2016, Бюл.№7.
16. Пат.2501988 РФ: МПК F16B 5/02. Устройство для создания
гарантированного натяга в разъемном резьбовом соединении деталей / Рогов
В.А., Малыгин В.И., Лобанов Н.В., Васильев А.В., Титов Б.Н., (РФ). —
Заявлено 23.11.2011: Опубл. 20.12.2013., Бюл.№35.
17. Пат. 2568172 РФ: МПК F16B 5/02. Способ создания гарантированной
затяжки в дифференциально-резьбовом соединении деталей / Лобанов Н.В.,
Малыгин В.И., Васильев А.В., Титов Б.Н., (РФ). — Заявлено 02.09.2014:
Опубл.10.11.2015., Бюл.№31.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
1 199 Кб
Теги
гребным, сборке, крупногабаритных, технология, съёмными, винтом, совершенствование, лопастями
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа