Выбор и разработка гребного вала

Введение 3
1. Принцип работы гребного вала морского судна и материалы 5
1.2 Материалы для изготовления гребных валов 6
2 Факторы разрушения 10
3 Методика оценки технического состояния гребных валов 12
3.2 Испытание на растяжение 14
3.3 Усталостные испытания 18
3.4 Коррозионная усталость 20
3.5 Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом 22
3.6 Трещиностойкость 26
Заключение 27

1. Принцип работы гребного вала морского судна и материалы
Валопровод соединяет приводной двигатель с гребным винтом. Гребной вал, который в зависимости от расположения машинного отделения на судне может состоять из одной или нескольких соединенных через глухие муфты частей, должен передавать момент вращения двигателя на гребной винт. Гребной вал опирается на радиальные подшипники. Концевая часть проходит в уплотнительном сальнике, который предохраняет туннель гребного вала от попадания морской воды. На конусообразной концевой части гребного вала закреплен гребной винт (рисунок 2, а). Осевое давление, действующее со стороны гребного винта и передаваемое дальше через вал, воспринимается упорным подшипником. Принцип действия упорного подшипника изображен на (рисунок2, б,в). Такой подшипник состоит из взаимодействующего с опорными поверхностями гребня давления; опорные поверхности залиты металлом. На переднем ходу функционирует одна поверхность гребня давления, на заднем — другая.
...

1.2 Материалы для изготовления гребных валов
1.2.1 Высокопрочные стали марок 38ХМА и 36Х2Н2МФА
Для длинномерных судовых гребных валов со сквозным осевым отверстием и без него для морских судов любого назначения.
Таблица 1 – Химическийсостав в % материала 36Х2Н2МФА
С
Si
Mn
Ni
S
P
Cr
Mo
V
Cu
0,33 – 0,4
0,17 – 0,37
0,25 – 0,5
1,3 – 1,7
до   0,025
до   0,025
1,3 – 1,7
0,3 – 0,4
0,1 – 0,18
до   0,3

Сталь высокопрочная экономнолегированая без никеля  с высокими прочностными и вязкопластическими свойствами (табл. 3).
...

2 Факторы разрушения
Опыт эксплуатации конструкций различного назначения, в том числе морских иречных судов, показывает, что их надежность в эксплуатации в существенной степени зависит от прочности и долговечности констру-ктиных элементов. Известно, что подавляющее большинство конструктивных элементов при эксплуатации воспринимают переменные во времени нагрузки, которые являются основным условием возникновения и развитияусталостного разрушения.
Это в полной степени относится к судовым гребнымвалам, тем более что в этом случае процесс усталостного разрушения происходит при одновременном воздействии на вал поверхностноактивнойсреды –морской воды.
Выявленные причины повреждений гребных валов показывают, что большая часть повреждений (более 60% случаев) явились следствиемусталости и коррозионной усталости гребных валов.
Восстановление, ремонт и замена этих элементов, особенно подводной части судна, производят только после вывода судна из эксплуатации.
...

2 Методика оценки технического состояния гребных валов
Одним из главных свойств любого технического изделия является безотказность, долговечность. Ремонтоспособность и способность сохранят
возложенные на изделия функции в течение назначенного времени эксплуатации.
Надежность валопровода обеспечивается, если он сохраняет прочность, жесткость устойчивость и выносливость при гарантированной долговечности.
Пробы для испытаний отбирают:
• при длине заготовки более 3м – с двух концов заготовки;
• при длине заготовки 3м и меньше – с одного конца, соответствующего прибыльной части слитка.
Для контроля макроструктуры и сегрегации серы отбирается проба (темплет) перпендикулярно продольной оси заготовки.
Из каждой пробы изготовляются следующие образцы:
• для определения механических свойств на растяжение – один; на ударную вязкость два;
• дляопределение склонности к межкристаллической коррозии – четыре;
• на определения остаточных напряжений – одна проба.

3.
...

3.2 Испытание на растяжение
Испытание на растяжение материалов проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84. Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов для определения при температуре
20°С пределов пропорциональности, упругости, текучести, временного сопротивления разрыву, относительного удлинения и относительного сужения, модуля упругости.
Для испытаний применяют плоские и цилиндрические образцы, вырезанные из детали или специально изготовленные. Размеры образцов регламентированы указанным стандартом, они подчиняются геометрическому подобию и могут быть короткими и длинными. Для цилиндрического образца берется соотношение начальной рабочей длины l0 и исходного диаметра d0: l0= 5d0- короткий образец, l0= 10d0 - длинный образец [1].
Цилиндрические образцы изготавливаются диаметром 3 мм и более. Образцы состоят из рабочей части длиной l0 и головок, форма и размер которых соответствуют захватам машины (рисунок 4).
...

3.3 Усталостные испытания
При циклических нагрузках в исследуемом образце происходит постепенное накопление повреждений, приводящих к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению. Этот процесс называют усталостью. Параметрами циклического нагружения являются: среднее напряжение цикла, амплитуда напряжения, частота цикловf(или периодТцикла), коэффициент асимметрии. Цикл, у которого максимальное и минимальное напряжения равны, но противоположны по знаку, называется симметричным.
Схема нагружения (рисунок 8) должна в той или иной мере воспроизвести в образцах напряженное состояние, характерное для эксплуатационных условий работы детали, так как от соотношения касательных и нормальных напряжений зависят сопротивление усталостному разрушению и характер разрушения.

Рисунок 8 – Схема изменения нагрузки при асимметричном знакопостоянном цикле.
...

3.4 Коррозионная усталость
Вследствие коррозионной усталости разрушаются гребные винты и валы морских судов, детали самолетов, тепловозов, автомобилей, а также бурильные трубы, лопатки компрессоров и турбин реактивных двигателей, паропроводы, водопроводы и другое оборудование. Этот вид разрушения чрезвычайно распространен и встречается практически во всех отраслях промышленности.
Коррозионная усталость проявляется в разнообразных водных средах, в отличие от коррозионного растрескивания, вызываемого определенными, специфичными для каждого металла ионами. Поддействием коррозионнойусталости происходит разрушение стали в пресной и морской воде, в конденсатах продуктов сгорания, в других распространенных химических средах; при этом, чем выше скорость общей коррозии, тем быстрее металлкоррозионной усталости [2].
...

3.5 Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом
При динамических испытаний закон подобия не действует.Задача испытания– рассчитать основную характеристику испытаний, ударную вязкость. По результатам испытаний определяют вязкость разрушения, которая характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений в вершине трещины. Коэффициентпоказывает, какого значения (интенсивности) достигают напряжения вблизи вершины трещины в момент разрушения. Он связывает приложенное напряжениеsс критической длиной трещины:

гдеa– безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.
Как видно из приведенного соотношения,имеет размерность МПа×м1/2.
Практическое значение коэффициента заключается в том, что, зная его, можно определить разрушающее напряжениеsв зависимости от размера дефекта или, наоборот, по известному значению напряжения в детали можно установить размер трещины, при котором произойдет разрушение.
...