Основы проектирования и расчета судового валопровода, страница 12

5.6. Расчеты прочности судового валопровода

5.6.1. Методические основы расчета

Под действием внешних и внутренних усилий в валопроводе возникает сложное напряженно-деформированное состояние. Его полное и точное определение наталкивается на известные трудности, связанные с трудоемкостью вычислений, погрешностью составления расчетной модели и допущениями теории упругости. В традиционном виде расчеты, как правило, ограничиваются получением запасов прочности в опасных сечениях. Такие сечения устанавливаются на основе сопоставления конструктивной схемы валопровода с эпюрами внутренних усилий, опыта эксплуатации и статистических данных о повреждениях в валах. Все указанные методологические принципы дают право говорить о наибольшей нагруженности гребного вала, а в нем уязвимым местом является кормовая часть. Именно в этом участке вала, где амплитуда и среднее значение изгибающего момента и поперечной силы максимальны, концентраторы напряжений ярко выражены и вероятен контакт с забортной водой, наблюдаются разнообразные повреждения, среди которых доминируют усталостные трещины.

Таким образом, расчет долговечности валопровода сводится к определению коэффициентов запаса прочности гребного вала. С помощью их удается косвенно судить о ресурсе. Так, если коэффициент запаса оказывается слишком малым, то вероятность поломки будет чрезмерно большой. Наоборот, большое значение коэффициента свидетельствует о том, что вал имеет завышенные размеры и может быть облегчен, если его диаметр определяется только требованием прочности, а не конструктивными или другими соображениями.

Принято вычислять коэффициенты запаса при расчете гребного вала на статическую прочность и на выносливость. Эти расчеты базируются на детерминированном представлении, как усилий, так и механических характеристик материала. Вместе с тем, упомянутые параметры являются случайными величинами, поэтому их учет возможен при вероятностных методах расчета.

5.6.2. Расчет на статическую прочность

Расчет на статическую прочность преследует цель исключить появление пластических деформаций в опасных сечениях вала. Поэтому данный расчет ведут по наибольшим кратковременным нагрузкам. Известно, что несущая способность материала при статической прочности зависит от предела текучести . По сравнению с лабораторным образцом,  вала будет меньше за счет масштабного фактора  и концентрации напряжений. Чем выше теоретический коэффициент концентрации , тем сильнее проявляется масштабный фактор, на этом основании

.

Здесь величина  зависит от геометрии концентратора напряжений и для рекомендованных соотношений находится в диапазоне 1,5¸2,5. Что касается масштабного фактора, то его ориентировочное значение может быть подсчитано по формуле

                                                                   (5.15)

где  – диаметр гребного вала, мм.

Особое место при статическом расчете занимают процедуры определения максимальных усилий. Специфика этих расчетов заключается в том, что нагрузки, воспринимаемые валопроводом, переменные по величине и во времени. Кроме того, валы испытывают  действие усилий от изгибных, крутильных и осевых колебаний. Напряжения, обусловленные колебательными процессами, нередко являются доминирующими при окончательном назначении геометрических размеров валопровода. По этой причине расчеты крутильных и осевых колебаний выполняются и регламентируются отдельно. Что касается изгибных колебаний, то учет дополнительных напряжений, обусловленных ими, осуществляется соответствующими коэффициентами динамичности . Сначала величина  выбирается на основе статистических данных, затем, после расчета изгибных колебаний, уточняется и при необходимости статический расчет повторяется.