На правах рукописи

Брежнев Александр Викторович

НОРМИРОВАНИЕ ВИБРАЦИИ ВИНТОРУЛЕВЫХ КОЛОНОКМОРСКИХ СУДОВ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

ИХ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

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

Автореферат диссертации на соисканиеученой степени кандидата технических наук

Новороссийск – 2009

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

Научный руководитель:

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 диссер-тационного совета Д.223.007.01 Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф.Ушакова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Мор-ская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова», г. Новорос-сийск, пр. Ленина, 93.

Автореферат диссертации разослан « » октября 2009 года.

Ученый секретарь Хекерт Е.В.

2

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. На современных морских судах, наряду с ис-пользованием пропульсивного комплекса (ПК) с традиционной прямой пере-дачей на винт, находят широкое применение в качестве главного движитель-но-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 яв-ляется 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 веду-щих компаний «Aquamaster» («Ролс-Ройлс», Финляндия) и «Schottel» («Си-менс», Германия). Исследования были направлены на получение параметров вибрации винторулевого комплекса на различных режимах эксплуатации суд-на, которые были систематизированы и легли в основу статистической обра-ботки результатов и предложений по нормированию вибрации.

Требования руководящих документов (РД) и правила Классификацион-ных 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 акту-альность, и для перевода ВРК на ремонт по их техническому состоянию необ-ходима разработка и обоснование рекомендаций по нормированию вибрации.

Диссертация посвящена решению важной научной задачи: эксперимен-тальному 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 мор-

ских судов в эксплуатации.Цель работы состоит в формировании комплекса научно обоснованных

технических решений, направленных на совершенствование технической экс-плуатации ПК морских судов с ВРК путем разработки рекомендаций по нор-мированию вибрации.

Достижение поставленной цели осуществляется на основе решения сле-дующих задач:

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

3

– разработка методики исследования вибрационных характеристик ВРК;– статистическая обработка результатов экспериментальных исследова-

ний 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 прово-дились на морских судах и буксирах ЗАО «Совфрахт-Приморск» (порт При-морск), ОАО «Флот НМТП» (порт Новороссийск), ОАО «Туапсинский мор-ской 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 стати-стическую 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 «Совфрахт-Приморск» (порт Приморск), ОАО «Морской торговый порт Усть-Луга» (порт Усть-Луга). Научные результаты реализованы в Методиках контроля техниче-ского состояния ВРК (КС ВРК), согласованных и одобренных Главным Управ-лением Российского Морского Регистра Судоходства (ГУ РС) для проведения безразборного освидетельствования ВРК.

Достоверность научных результатов обеспечивается:– проведением натурных испытаний с использованием комплекса мето-

дов вибрационного контроля; статистической обработкой результатов экспе-риментальных исследований; применением приборов и систем измерений, прошедших калибровку или метрологическую аттестацию в соответствии с ПР 50.2.009 – 94 (взамен ГОСТ 8.326–89).

Основные положения, выносимые на защиту:– результаты контроля вибрации ВРК «Aquamaster» и «Schottel» морских

судов и их статистическая обработка;– нормы предельных оценок вибрационного состояния ВРК «Aquamas-

ter» и «Schottel» морских судов.

4

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на совеща-ниях 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 Судо-

ходства (РС) (г. Новороссийск, 2007 г.); на заседании секции научно – техниче-ского совета, отдел механического оборудования и систем ГУ РС РФ (г. Санкт Петербург, 2007 г.);

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

– Международная научно – техническая конференция «Наука и Образо-вание - 2008» в Мурманском государственном техническом университете (г. Мурманск, 2008 г.);

– XVI Международная конференция. «Математика. Экономика. Образо-вание» V Международный симпозиум. «Ряды Фурье и их приложения» (г. Но-вороссийск, 2008 г.).

Публикации. Представленная совокупность научных результатов и тех-нических решений опубликована в 8 печатных работах, в том числе три в изда-ниях, 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 39 рисунков и 16 таблиц.

Содержание работы

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертации, опре-делены цели и задачи исследования, изложены научные и практические ре-зультаты.

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 греб-ных 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 состав-ной частью оптимизации эксплуатационных расходов ПК.

Совершенствованием технической эксплуатации движительных комплексов и гребных валов, занимались и занимаются множество организа-ций 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

5

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 эксплуата-ции 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 реко-мендации и методики по диагностике и обеспечению вибрационного контроля СТС определяют важность перспективных задач по изучению вибрации и раз-работки норм.

Наряду с традиционными ПК (прямой передачей от двигателя на винт), применение на современных морских судах ВРК позволяет обеспечить надеж-ность и компактность оборудования, а также снизить массу и уменьшить габа-риты машинного отделения. Лидерами в производстве и основными поставщи-ками ВРК на рынок судостроения являются фирмы: «Aquamaster» (Финлян-дия), «Steerpro» (Финляндия), «Schottel» (Германия), «Niieagata» (Япония) и т.д. (рис. 1).

а) линия вала без карданной передачи

б) линия вала с карданной передачейРис. 1. Пропульсивный комплекс с ВРК

6

Отсутствие в РД и Правилах Классификационных обществ рекоменда-ций и нормативной документации в части нормирования вибрационных пара-метров ВРК налагает на судовладельцев требования по предъявлению Реги-стру 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 су-дов и все это определяет острую необходимость в разработке норм на контро-лируемые в процессе эксплуатации параметры для перевода ВРК на ремонт по их техническому состоянию.

Проведенный анализ литературных источников и особенностей устрой-ства ПК морских судов показывает, что эксплуатационники, разработчики и производители оборудования уделяют недостаточное внимание исследовани-ям ПК с ВРК и исходя из этого следует, что совершенствование технической эксплуатации морских судов с ВРК путем разработки и внедрения рекоменда-ций по нормированию вибрации является важной задачей для сокращения за-трат, связанных: с разборкой и сборкой СТС; освидетельствованием ВРК в разобранном виде во время проведения классификационного ремонта; мини-мизацией затрат на приобретение сменно-запасных частей и повышение без-опасности мореплавания.

Во второй главе рассмотрены объекты и методики исследования вибра-ционных характеристик ВРК («Aquamaster» и «Schottel») в условиях эксплуа-тации, а также наиболее распространенные методы контроля технического со-стояния СТС.

Применение на морских судах метода контроля по вибрационным пара-метрам 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 заро-ждения и проследить за их развитием. На основе таких наблюдений (при усло-вии их регулярности и периодичности) возможна оценка технического состоя-ния и прогнозирование состояния на определенный период эксплуатации.

Контроль вибрационного состояния ВРК «Aquamaster» и «Schottel» про-водился в период эксплуатации судов в соответствии с Методикой КС ВРК со-гласованной с ГУ РС для введения на морских судах системы контроля техни-ческого состояния винторулевой колонки и разработки рекомендаций по нор-мированию вибрации.

7

Оценки вибрационного состояния элементов ВРК выполнялись анализом уровней виброскорости в диапазоне частот 10 – 1000 Гц с помощью анализато-ра шума и вибрации типа SVAN 912АЕ (Польша), на различных режимах ра-боты главного двигателя в диапазоне изменения частоты вращения от 55% до 100%, которые характерны для морских судов с ВРК, в соответствии со схе-мой 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 крепле-ния 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 протоко-ле и заносились в реестр измерений и память персонального компьютера для хранения и обработки. Анализ и статистическая обработка результатов произ-водилась 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 часто-

тах верхнего редуктора, промежуточного вала, нижнего редуктора, лопастной частоте гребного винта и частоте вала винта по результатам третьоктавного анализа вибрации.

8

Оценка технического состояния ВРК проводилась путем сравнения теку-щих значений уровней виброскорости с измерениями, проведенными на ис-правном 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:

, (1)

где ix – уровень виброскорости в i-той третьоктавной полосе в диапазоне 10 – 1000 Гц.

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

Экспериментальные исследования проводились на 40 ВРК, из них: «Aquamaster» - 18 шт., «Schottel» - 22 шт. Результаты оценки состояния ВРК различных типов («Aquamaster» US205; «Schottel» SRP 1010, SRP 2020, SRP 1012) систематизировались по СКЗ виброскорости в третьоктавных полосах частот и легли в основу разработок методик статистической обработки ре-зультатов и рекомендаций по нормированию вибрации.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям и прогно-зированию оценок вибрации ВРК морских судов, которые позволили внедрить и использовать на морских судах с ВРК систему КС ВРК и провести классифи-кационные освидетельствования ВРК с предъявлением РС без разборки.

Измерения уровней вибрации ВРК проводились на установившихся переменных режимах работы двигателя с фиксированной нагрузкой в диапазо-не изменения частоты вращения от 55% до 100% по однотипному классу судов в Азово-Черноморском, Средиземноморском, Балтийском районах плавания и позволили в течение семи лет наблюдений создать массив данных вибраци-онного контроля ВРК различного типа.

Модуль оценки виброскорости, измеренный в трёх ортогональных плос-костях (вектор наблюдения) определялся с учетом того, что корпус судна яв-ляется подвижной механической системой с неопределённым числом степеней свободы:

9

∑= 2~ixx

i=1

222zyx vvvv ++= , (2)

где v – усреднённая оценка виброскорости, zyx vvv ,,

– оценки виброскоро-

сти (СКЗ) измеренные на верхнем редукторе ВРК (рис. 2).По полученным векторам наблюдений была произведена оценка виб-

роскорости по всем точкам контроля ВРК (рис. 2).Для решения этой задачи были составлены таблицы измерений виб-

роскорости (в табл. 1 приведен пример полученных значений виброскорости для пяти буксиров с ВРК «Aquamaster»), построены вариационные ряды по каждому ВРК для всех судов, произведен расчет доверительного интервала, определена математическая модель и разработана методика исследования рас-пределения СКЗ в зависимости от функции нагрузки, которая последовательно задавалась в предельно допустимой области работы двигателя для оценки со-стояния ВРК.Таблица 1 Значения виброскорости по точкам контроля на ВРК типа US205 «Aquamaster»

В качестве примера на рис. 3 представлены сгруппированные измерения виброскорости (вариационные ряды) по табл. 1 для однотипных ВРК типа US205 «Aquamaster» левого и правого бортов для пяти буксиров при 1600 об/мин.

Для данного распределения разница СКЗ виброскорости при 1600 об/мин составила 0,13 мм/с, что показало хорошее приближение по двум ВРК (правый и левый борт), хотя и размещенных на разных судах. Полученные результаты базируются на статистике измерений и отличаются друг от друга на величину: при частоте вращения двигателя 1000 об/мин – 1 %; 1300 об/мин – 4,34 %; 1600 об/мин – 2,9 %. Доверительный интервал СКЗ виброскорости с вероятностью 95% в зависимости от режима работы двигателя составил ± 0,43 мм/с.

10

Рис. 3. Вариационные ряды измерений виброскорости ВРК типа US205 «Aquamaster» при 1600 об/мин

По результатам экспериментальных исследований были построены зави-симости распределения СКЗ виброскорости от частоты вращения двигателя. Из примера рис. 4 видно, что полученная зависимость говорит о экспоненци-альной форме кривой с приближением к некоторой предельной величине, ко-торая принимает вид линейной зависимости и является основой при построе-нии прогностических оценок.

Рис. 4. Зависимость уровня СКЗ виброскорости от частоты вращения для ВРК «Aquamaster»

11

Наличие карданной передач на линии вала ВРК «Schottel», в отличие от линии вала ВРК «Aquamaster» (рис. 1) не позволяют строить анализ оценок виброскорости в допущении близкой к линейной зависимости уровня вибра-ции от нагрузки ВРК. Для определения СКЗ виброскорости ВРК «Schottel» был построен исходный тренд вибрационных характеристик в зависимости от частоты вращения двигателя (рис. 5).

Сравнение величин СКЗ виброскорости для ВРК типа «Aquamaster» (рис. 4) и ВРК типа «Schottel» (рис. 5) определило следующее:

– уровни вибрации ВРК, примерно одинаковых по мощности и техниче-ским характеристикам, но с разными типами и конструкциями валолиний, от-личаются в зависимости от нагрузки в 2 – 5 раз;

– уровни вибрации ВРК «Aquamaster» изменяются незначительно, в пре-делах 1 мм/с;

– уровни вибрации ВРК «Schottel» при увеличении частоты вращения от 1000 до 1800 об/мин возрастает примерно в 5 раз (от 5÷6 мм/с при нагрузке 1000 об/мин и до 17 мм/с при нагрузке 1800 об/мин).

Рис. 5. Зависимость уровня СКЗ виброскорости от частотывращения для ВРК «Schottel»:а) распределение СКЗ с учетом второй «карданной» гармоники;

б) распределение СКЗ без второй «карданной» гармоники (исключено из спектра)

12

Экспериментальные исследования показали, что элементом, вносящим существенный вклад в вибрацию на ВРК типа «Schottel» служит карданная передача валолинии. Для проверки этого предположения было исключено влияние второй («карданной») гармоники (рис. 5), соответствующей частоте вибрации, вносимой карданной передачей.

Анализ распределений СКЗ виброскорости с исключённой второй гармо-никой (рис. 5) существенно не изменил вид распределения, с той лишь разни-цей, что исключение второй гармоники («карданной») привело к снижению общего уровня вибрации. Предложенный подход позволил сделать вывод о том, что источник повышенной вибрации для ВРК «Schottel» определяется ра-ботой со стороны карданной муфты линии вала.

Полученные результаты подтвердили целесообразность в дальнейших прове-дениях исследований и разработках рекомендаций по нормированию вибрации ВРК «Aquamaster» и «Schottel» для совершенствования их технической эксплуатации.

Для определения уровня СКЗ виброскорости на выбранных частотах вращения двигателя и оценки состояния ВРК («хорошо») применили методику исследования распределения СКЗ в зависимости от функции нагрузки, которая последовательно задавалась в допустимой по частоте вращения области рабо-ты двигателя. В соответствии с Правилами РС состояние «хорошо» – состоя-ние механизмов и оборудования после изготовления (постройки судна) или ре-монта при вводе в эксплуатацию.

По этим причинам исходное уравнение тренда вибрационной характери-стики исследовалось в известной функции нагрузки ВРК – назначением испыта-ния увеличением числа оборотов двигателя с запасом по обеспеченности механи-ческой нагрузки до допустимых значений для данного типоразмера двигателя.

Моделирование осуществлялось средствами пакета Maple 9.5 с исполь-зованием сплайн-интерполяции экспериментальных данных. Для построения математической модели, нагрузка задавалась с превышением номинальной ча-стоты вращения двигателя в 1,25 раза, при этом распределения принимали ли-нейный вид (рис. 6).

Предельное значение СКЗ виброскорости соответствующее предельно допустимому режиму работы для ВРК типа US205 «Aquamaster» соответство-вало величине 6,5 мм/с.

13

Рис. 6. Прогностическая кривая распределения параметра СКЗ в пределах пре-вышения полезной нагрузки

В качестве параметра прогнозирования состояния ВРК примем отношение:

v

vi~=µ , (3)

где iv – оценка виброскорости вида (2), полученная в ходе измерений при контроле ВРК в эксплуатации, v~ – медиана распределения вариационного ряда оценок виброскорости, совпадающая с полученной предельной оценкой (для ВРК типа US205 «Aquamaster» – 6,5 мм/с).

Изменение параметра СКЗ виброскорости вследствие износа элементов ВРК можно считать соответствующим кривой Вейбулла, в связи, с чем крите-рием оценки параметра µ будет также, соответствие тренда распределения па-раметра кривой Вейбулла.

Функцию регрессионной оценки запишем в виде:

i

i

vv

vW ~~

1

+= +

, (4)

где 1+iv – оценка виброскорости в каждом следующем измерении; ivv ~~ + – медиана вариационного ряда оценок, уточняемая при каждом следующем из-мерении.

14

Нелинейные процессы, как следствие аварийного режима работы, яв-ляются критерием недопустимого режима эксплуатации. Алгоритм (3–4) при-мем параметром в организации регрессионного анализа определения измене-ния состояния системы в ходе эксплуатации с увеличением износа. С учетом того, что ПК судна является сложной системой, в состав которой входит ВРК, техническое состояние каждого из элементов определяется вероятностями

)(),(),( 210 tPtPtP в зависимости от наработки в период эксплуатации. Очевид-но также, что распределение закона вероятностей соответствует Пуассо-новскому, и переход ВРК из одного состояние в другое возможно вследствие износа, аварии или ремонта.

Вероятность вибрационного состояния ВРК соответствующая оценке «Хорошее», «Удовлетворительное», определится:

∏=

=⋅⋅=n

ii tPtPtPtPtP

1210 )()...()()()( , (5)

где )(0 tP – вероятность состояния ВРК «Хорошее», соответствующее состоя-нию ввода в эксплуатацию, )()...(),( 21 tPtPtP n – вероятность состояния эле-ментов ВРК, определяющих его параметрический тип.

С учётом (3), состояние ВРК в каждый следующий период эксплуатации можно определить решением дифференциального уравнения:

1)( −= µµedt

tdP, (6)

при этом закон распределения вероятностей принимаем Пуассоновским.Для состояния «Приемлемо» используем алгоритм (6), для прогнозиро-

вания ухудшения состояния ВРК в ходе эксплуатационного износа «Износ» на основании формулы полной вероятности (обратная функциональная зависи-мость):

)(1)(1 tPtP −=− . (7)

Последовательно вычисляем значения параметра µ (часть расчета пред-ставлена в качестве примера в табл. 2) для оценки виброскорости 6,5 мм/с (пре-дельная оценка, соответствующая «хорошему» состоянию, рис. 6). Аргументом функции (6) определим изменение оценки 6,5 мм/с с шагом 0,1 до уровня веро-ятности 0,3 – 0,4, аналогично вычисляем функцию обратную (6) – (7).

Таблица 2Распределения вероятности для оценки состояния ВРК типа US205

«Aquamaster» в зависимости от параметра µ

15

Полученные расчётные данные позволяют построить распределение ве-роятностей для оценки состояния ВРК «Aquamaster», соответствующего состо-янию ВРК «Хорошо» и обратное распределение, соответствующее состоянию «Недопустимо» (рис. 7).

Оценку виброскорости границы «Приемлемо» определим на основе кри-терия выхода вероятности в область невозможного однозначного определения величины. Для нашей оценки эта граница определяется пересечением кривых «Приемлемо» и «Износ», очевидно, что область левее этой точки относится к уровню вибрации, допустимому при эксплуатации ВРК, правее – недопусти-мому (рис. 7).

Рис. 7. Прогноз состояния вероятности «Приемлемо» (для дальнейшей эксплуатации ВРК) и «Износ» (в ходе эксплуатации ВРК)

Для предельной хорошей оценки 6,5 мм/с, оценка допустимой вибрации определяется расчетной величиной 9,60 мм/с (табл. 2).

В случае изменения состояния ВРК, значение параметра µ определяет кривую «Приемлемо» ниже величин кривой «Износ» (рис. 7).

16

Оценку состояния ВРК необходимо строить на основании анализа фор-мулы полной вероятности (7). Если уровень вибрации ВРК окажется больше прогнозируемой величины, то общее состояние будет определяться вибрацией элементов ВРК с большими величинами износа.

Оценка состояния ВРК «Schottel» рассчитана и определена аналогично рассмотренной модели для ВРК «Aquamaster».

В четвертой главе выполнен анализ экспериментальных исследований вибрации ВРК «Aquamaster» и «Schottel» и предложены разработанные реко-мендации по нормированию вибрации.

Задачей исследования являлось определение состояния ВРК на основе статистических данных применительно к категориям состояния (Правила клас-сификации и постройки морских судов РС. Т.2. Часть VII, Механические уста-новки.).

Проведенные исследования вибрационных характеристик ВРК позволи-ли определить границы уровней СКЗ виброскорости соответствующие различ-ным техническим состояниям и подтвердили, что прогностические оценки СКЗ виброскорости базируются на допущении соответствия эксплуатационно-го износа кривой Вейбулла.

По результатам вышеизложенных решений были определены трендовые эксплуатационные характеристики, что позволило оценить состояние винтору-левого комплекса без вывода его из эксплуатации, а также разработать реко-мендации по нормированию вибрации ВРК.

Для определения предельных значений вибрационного состояния ВРК (рис. 8–9) было сделано следующее:1) на основании экспериментально полученных данных были построены рас-

пределения оценок виброскорости в зависимости от частоты вращения для ВРК «Aquamaster» и «Schottel» (рис. 4–5), соответствующие состоянию «хо-рошо»;

2) построены трендовые характеристики для оценки состояния ВРК «предель-но допустимо» (переход от состояния "хорошо" к состоянию "удовлетвори-тельно") с использованием модели изменения состояния ВРК в ходе эксплу-атации (3–7).

Расчетные значения вероятности предельно допустимого («неудовлетво-рительно») состояния ВРК «Aquamaster» и «Schottel» по начальным парамет-

17

рам виброскорости (рис. 4–5) на эксплуатационных частотах вращения двига-теля приведены в табл. 3.Таблица 3

Предельно допустимые величины виброскорости для оценки состоянияВРК «Aquamaster» и «Schottel»

Примененный подход позволил получить набор характеристик для контроля вибрационного состояния ВРК в функции нагрузки, для состояния «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно».

Полученные в работе диагностические данные по вибрации ВРК сопо-ставлялись с Правилами РС. Согласно категорий (зон) принадлежности (Пра-вила РС) было определено состояние ВРК, как "хорошо" (Зона «А» - состояние механизмов и оборудования после изготовления (постройки судна) или ре-монта при вводе в эксплуатацию), "удовлетворительно" (Зона «В» - состояние механизмов и оборудования во время нормальной эксплуатации) и "неудовле-творительно" (Зона «С» - состояние механизмов и оборудования, при котором оно требует проведения технического обслуживания или ремонта).

18

Рекомендованные в нормативных документах допустимые величины СКЗ виброскорости были применены к условиям эксплуатации ВРК.

Определённые на основе модели (3–7) допустимые величины СКЗ виб-роскорости, применённые к условиям эксплуатации ВРК, позволяют:

– рассчитывать эксплуатационный износ по измеренным трендам СКЗ виброскорости;

– прогнозировать развитие вибрационной динамики ВРК на основе пери-одических измерений;

– применять полученные оценки в безразборной диагностике состояния ВРК.

Для удобства и визуального обзора категорий состояния ВРК «Aquamas-ter» и «Schottel», статистически обработанные уровни допустимых значений вибрации ВРК по СКЗ виброскорости (табл. 3) сведены в графическую зависи-мость (рис. 8 – 9), которая может быть рекомендована для оценки состояния ВРК в эксплуатации.

Рис. 8. Зависимость уровня допустимых СКЗ виброскорости от нагрузки для различных категорий состояния ВРК «Aquamaster»

(линия вала без карданной передачи)

19

Рис. 9. Зависимость уровня допустимых СКЗ виброскорости от нагрузки для различных категорий состояния ВРК «Schottel»

(линия вала с карданной передачей)

Экспериментально разработанная и согласованная с РС Методика КС ВРК позволила осуществить мониторинг ВРК морских судов в эксплуатации по контролю уровней вибрации с выдачей рекомендаций по предупреждению и устранению неисправностей технического характера, а также:

– проследить тенденцию роста общего уровня вибрации ВРК;– определить техническое состояние ВРК в соответствии с разработан-

ными и рекомендованными нормами;– диагностировать элементы ВРК и в соответствии с руководствами по

эксплуатации оборудования спланировать сроки проведения ремонта или за-мену изношенных узлов и деталей.

20

Методика КС ВРК прошла апробацию и внедрена на различных судо-ходных предприятиях (ОАО «Туапсинский морской торговый порт», ЗАО «Совфрахт-Приморск» и т.д.), в результате чего была получена экономическая целесообразность: значительно сокращены эксплуатационные расходы, свя-занные с ремонтом СТС новых и уже введенных в эксплуатацию морских су-дов с ВРК не менее чем на 30%–40%; сдвинуты сроки разборки СТС при осви-детельствовании РС до 10–12,5 лет и т.д.

Применение Методики КС ВРК и предложенного метода вибрацион-ной диагностики по СКЗ виброскорости на морских судах гарантирует дета-лизированный контроль за техническим состоянием СТС в эксплуатации, что дает потенциальную возможность обеспечить беспрепятственное соблю-дение Международных правил предупреждения столкновений судов в море по обеспечению маневров в морских портах, и как следствие, обеспечивает безаварийную коммерческую работу судов с ВРК в любых условиях навига-ционной обстановки.

Заключение

На основании выполненных экспериментальных исследований и стати-стической обработки полученных результатов на морских судах с ВРК «Aquamaster» и «Schottel» решена важная научная задача по оценке техниче-ского состояния ВРК в эксплуатации на основе разработанных норм вибрации, сделаны выводы и получены следующие практические результаты: 1. Создан информационно-статистический банк данных уровней вибрации

ВРК разных производителей и типов судов, позволяющий выполнять статистическую обработку получаемых результатов.

2. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований показала, что в рабочем диапазоне изменения относительной частоты вращения среднеоборотных двигателей от 50 % до 100 % от номиналь-ной, доверительный интервал СКЗ виброскорости составил ± 0,43 мм/с при степени доверия 0,95.

3. Выполненный комплекс экспериментальных исследований на судах, име-ющих в качестве движительного комплекса винтовые рулевые колонки, подтвердил высокую нагруженность оборудования движительного комплекса и необходимость регулярного мониторинга с целью оценки технического состояния и предупреждения поломок и отказов.

4. Обосновано, что для формализации принятия решения о работоспособ-ности оборудования ВРК целесообразно разработать и внедрить инсти-

21

тут нормирования вибрации, при этом техническое состояние эксплуати-руемого ВРК разбиваются на 3 зоны, для каждой из которых устанавли-вается верхнее предельное значение вибрации.

5. Величина СКЗ виброскорости для ВРК с линией вала с карданной муф-той зависит от режима эксплуатации и на нагрузках близких к номиналь-ной резко увеличивается, достигая 15-17 мм/с (увеличивается по сравне-нию с режимом эксплуатации соответствующего 50÷60 % нагрузки в 5 раз).

6. Разработаны нормы вибрации судовых ВРК морских судов с различной конструкцией линии вала и определены предельные значения вибрации ВРК, служащие границей между различными зонами вибрационного со-стояния: «А», «В», «С» согласно нормативных документов Морского Регистра Судоходства. В силу специфики энергетических установок с ВРК, предложенные нормы не совпадают с величинами, установленны-ми ГОСТ ИСО 10816-3-2002 и зависят от типа валопровода (наличие или отсутствие карданных передач) и режима эксплуатации.

7. Использование разработанных рекомендаций в Методике КС ВРК, согла-сованной с РС, позволило значительно сократить трудоемкость обслужи-вания ВРК, назначить ремонт по фактическому состоянию и тем самым решить важную научную задачу по обеспечению совершенствования технической эксплуатации морских судов с ВРК.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и издани-ях, определенных ВАК Минобрнауки РФ

1. Брежнев А.В. Определение прогностичного параметра среднеквадратич-ного значения вибрации винторулевых колонок моделированием нагру-зок по допустимому значению частоты вращения двигателя // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. – 3с. (Индекс по перечню ВАК РФ 70416, ред. апрель 2008г.).

2. Брежнев А.В., Николаев И.Н., Оводовский А.В. Вибрационная задача распределения оценок виброскорости при контроле технического состоя-ния винторулевых колонок морских и речных судов// Международный журнал речников «Речной транспорт» (XXI век).– 2009.–№ 1 (37)'. – 2с. (Индекс по перечню ВАК РФ 70787, ред. апрель 2008г.).

3. Николаев Н.И., Брежнев А.В., Николаев И.Н., Гриценко М.В. Контроль вибрации винторулевых колонок речных и морских судов// Международ-ный журнал речников «Речной транспорт» (XXI век). –2009.– № 1 (37)'.– 3с. (Индекс по перечню ВАК РФ 70787, ред. апрель 2008г).

22

Публикации по теме диссертации

4. Николаев Н.И., Брежнев А.В., Гриценко М.В. Винторулевые колонки современных морских буксиров. Проблемы безопасности морского судо-ходства, технической и коммерческой эксплуатации морского транспор-та// Материалы четвертой региональной научно-технической конферен-ции. Новороссийск: Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2005. – 3с.

5. Брежнев А.В., Гриценко М.В., Николаев И.Н. Контроль состояния винто-рулевых колонок и подшипников линии вала морских судов по парамет-рам вибрации. [Электронный ресурс] / МГТУ. Электрон. Текст. Дан. (20 Мб).– Мурманск: МГТУ, 2008. – 3с.

6. Брежнев А.В., Николаев И.Н. Прогнозирование предельных оценок сред-него в задаче телеметрии ВРК типа US205 «Aquamaster» («Rolls-Royce») с главным двигателем 3512B «Катерпиллар». XVI Международная кон-ференция «Математика. Экономика. Образование». V международный симпозиум «Ряды Фурье и их приложения». Труды. Южный Федераль-ный университет.– Ростов н/Д: Изд-во «ЦВВР», 2008. – 10с.

7. Брежнев А.В. Нормирование вибрации винторулевых колонок морских судов типа «Aquamaster». Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовка кадров на юге России// Материалы седьмой региональной научно-технической конференции. Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2008. – 3с.

8. Брежнев А.В., Гриценко М.В. Вибрационные исследования винторуле-вых колонок в эксплуатации. Проблемы эксплуатации водного транспор-та и подготовка кадров на юге России// Материалы седьмой региональ-ной научно-технической конференции.– Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2008. – 2с.

Формат 60х84 1/16. Тираж 100. Заказ 1701Отпечатано в редакционно-издательском отделе

ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова»353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

23

24