Sjednocující software pro konstrukční návrhy lodních hnacích hřídelů

ShaftDesigner je nový software určený k projektování pomocí počítače (Computer Aided Engineering – CAE), který podporuje konstrukci, instalaci, údržbu a opravy lodních hnacích hřídelů. Význam nového software spočívá v propojení teorie s praxí v oblasti ustavování a montáže hřídelů. Jde tedy o neobyčejně užitečný konstrukční nástroj, který umožňuje konstruktérům zajistit optimální funkci hřídele již ve fázi zpracování konstrukčního návrhu. Software byl vyvinut pro použití ve všech etapách životního cyklu lodního hnacího hřídele. Dokáže přesně zobrazit všechny díly hnacího systému v každé fázi konstrukčního návrhu a uživatelé mohou využívat přednosti nejrůznějších funkcí jednotlivých aplikačních modulů. Při vývoji softwaru, který nabízí nizozemská společnost Machine Support, byl kladen důraz na usnadnění konstrukce a přesnost ustavování hřídelů. Vývoj softwaru vycházel z potřeb trhu a z toho důvodu také vznikal v úzké spolupráci s klasifikačními společnostmi a předními výrobci originálních dílů (OEM) hnacích systémů. Poprvé mají konstruktéři přístup k jedinému flexibilnímu modelu, na němž lze provádět veškeré výpočty související s hřídelemi. Navíc umožňuje uživatelům analyzovat různé provozní podmínky, od plavby se zatížením nákladem, pro chod se studeným i teplým motorem a dále pro různé stavy od jednoduché nepřipojené hřídele po celý sestavený hnací systém. Uživatelé už tedy nemusejí jako dříve používat rozdílné datové modely a soubory pro různé typy výpočtů a pravděpodobné provozní podmínky. Software rovněž odstraňuje rozdíly mezi schopnostmi programu a současným chápáním technického a technologického řešení hnacích systémů. Vývojáři věnovali velkou péči návrhu uživatelského rozhraní, které ve spojení s 3D modelovacími funkcemi umožňuje vytvořit realistický 3D obraz hnacího systému pomocí tří hlavních způsobů modelování. Software je označován za multiprojekční, multihřídelový a multistavový 3D CAE systém pro výpočet lodních hnacích systémů. Využívá základní model pro výpočet ustavování hřídele, vířivé vibrace, ohybové (příčné) vibrace, axiální vibrace a torzní vibrace. Software, vhodný pro výpočet nejrůznějších systémů s hřídeli, lze využít pro návrh libovolné konstrukce od hřídelového převodu s jedním hřídelem po celý hnací systém s několika hřídelovými převody, motory a dalšími díly. Navíc je možné pro každou aplikaci volit velký počet různých stavů hnacího systému. K přednostem software ShaftDesigner patří provádění veškerých výpočtů z jednoho základního modelu. Jakmile je vytvořen, veškeré změny jsou automaticky provedeny v celé aplikaci. Vzhledem k tomu, že software pracuje ve 3D grafickém prostředí, změny lze kontrolovat vizuálně, a tím snížit pravděpodobnost vzniku chyby zásahem člověka. Software nabízí tři způsoby modelování. Jde o: ??volné modelování „ drag and drop“ s následnou korekcí polohy objektů ??modelování „drag and drop“ s využitím funkce Snapping k přichycení prvků na již vytvořené objekty ??přemístění skupiny z přiřazené původní polohy. Veškeré chyby při modelování lze snadno odstranit funkcí ‘Undo/Redo’ nebo ‘History window’. Cílem výpočtů ustavování hřídele je stanovit polohu ložisek hřídelového převodu při ustavení nebo optimalizovat zatížení ložisek hřídelových převodů tak, aby byl zajištěn bezpečný provoz hnacího systému lodi za všech definovaných provozních podmínek. Poloha osy ložiska hřídelového převodu je definována posunutím středu ložiskového pouzdra ve svislé a vodorovné rovině a dále úhly mezi základní vztažnou přímkou a osou ložiskového pouzdra. Průhyby hřídelového převodu jsou vypočítány automaticky softwarem. Aplikační model je samočinně vytvořen ze základního modelu. Veškeré změny základního modelu se okamžitě promítnou do průhybů hřídelového převodu. ShaftDesigner podporuje různé způsoby ustavování hřídelů, jako např. přímý výpočet, zjištění přesazení, geometrické ustavování, řetězovkové ustavování a ustavování pomocí tenzometrů. Funkce reverzního inženýrství, jimiž je software vybaven, umožňují vypočítat ustavování na základě změřených ohybových zatížení, napětí v ložisku, zatížení zvedáku, prověšení a spáry, a i průhybů hřídele. Aplikační model lze dále vyvíjet s ohledem na požadavky specifické aplikace. Uživatel může připojit další objekty, jako např. koncentrované síly, dočasné podpěry a zvedáky, aby si mohl ověřit teoretické ustavování hřídelů v praxi. Jakmile jsou umístěny přídavné podpěry a síly, automaticky se provede přepočítání průhybů hřídelového převodu. Spolu se základními modely lze využívat pět aplikačních modulů, které pokrývají různé typy vibrací, tzn. vířivé, ohybové, axiální, torzní a spřažené vibrace. Hlavním účelem výpočtu vířivých vibrací je zjistit kritické otáčky při dopředném a zpětném víření. Buzení prvního řádu odpovídá synchronnímu víření. Výsledky jsou zobrazeny v tabulce rezonancí a graficky ve formě Campbellova diagramu. Pro ohyb vypočítá aplikace vibrace charakteristiku vlastních vibrací, jako např. vlastní frekvence, tvary modu vibrací, jakož i rezonanční otáčky. Výsledky jsou podány ve formě Campbellova diagramu a tabulky rezonancí. Modul pro výpočet axiálních vibrací obsahuje funkce pro výpočet vlastních i vynucených vibrací. Nabízí mnoho volitelných možností pro nastavení parametrů buzení a tlumení ve výpočtech vynucených vibrací. Výsledky jsou zobrazeny v tabulce rezonancí a v podobě grafu, který ukazuje vibrace při různých rychlostech otáčení. Výpočty torzních vibrací jsou prováděny na hmotovém modelu pružného hřídele vytvořeném grafickým editorem a rovněž zahrnují vlastní i vynucené vibrace. Výsledky jsou zobrazeny ve formě grafu, který ukazuje vibrace při různých rychlostech otáčení, a v tabulce rezonancí. V případě torzních vibrací je však efektivnější zadávat hodnoty ručně a nespoléhat na základní model, protože torzní vibrace vyžadují specifické údaje. Aplikace pro výpočet spřažených vibrací stanoví parametry axiálních- torzních vibrací v případě přímo připojených dieselových motorů. Všechny tyto výpočty jsou součástí jediného řešení. Výsledky jsou zobrazeny v podrobné zprávě ve formátu dokumentu XML, která může být upravena a rovněž jednoduše exportována do jiných formátů. Společnost Machine Support použila tento software ve více než 120 projektech na celém světě. Předpokládá se, že v budoucnu budou vývojové práce zaměřeny na další aktualizace softwaru včetně možnosti importovat 3D projekty a modely z 3D CAD programů třetích stran. Jak již bylo uvedeno, ShaftDesigner je aplikace, jíž lze využít ve všech etapách životnosti celého plavidla – ať už se jedná o návrh konstrukce, stavbu zařízení, údržbu nebo opravy. V průběhu konstrukční fáze – tzn. z konstrukčního hlediska – je Shaft- Designer ideálním nástrojem pro zjištění posunů při optimalizaci polohy dílů hnacích systémů na základě akceptačních kritérií stanovených uživatelem. Tato funkce používaná v počátečních fázích zaručuje dobré rozložení zatížení v ložisku, a tedy bezpečný chod hřídelového převodu, a později pomáhá odstranit časové náročné a nákladné ustavení resp. opětovné ustavování. Různé softwarové moduly pro výpočet vibrací umožňují rovněž stanovit potenciálně škodlivé vibrace pro specifické konstrukce pohonů plavidla, a tedy jsou vhodné pro posouzení různých uspořádání a jejich důsledků. Přestože není v průběhu stavby lodi k dispozici model vytvořený při návrhu konstrukce, stavitelé lodí mohou využít velké přednosti modelování hnacího systému dříve, než začnou se skutečným ustavováním hřídelů. Přesná měření lze jednoduše zadat do software ShaftDesigner, který automaticky aktualizuje model při vložení každé nové hodnoty. Program poskytne potřebné údaje pro různé postupy ustavování hřídelů včetně zatížení zvedáku, ustavování pomocí laseru a pomocí tenzometrů, které je možné využít v různých fázích ustavování hřídelového převodu. A nakonec v případě údržby a oprav lze výpočtem ustavování a možných vibrací hřídele již předem zjistit problémy, které by mohly ovlivnit stav dílů hřídelového převodu. Např. je možné najít body s vysokým napětím v ložisku a provést kontrolu opotřebení, a tak předejít nákladným odstávkám lodí v případě závady. ShaftDesigner umožňuje také snadno posoudit a vyhodnotit ustavování hřídelů v případě nehody. Společnost SKF Machine Support nesoucí od ledna 2012 nový název SKF Marine Industry Service Centre je dodavatelem ložisek montážních dílů pro ustavování a montáž strojů a také zajišťuje jejich ustavení a instalaci. Tato společnost, kterou SKF převzala v roce 2000, má více než dvacetileté zkušenosti s poskytováním komplexních řešení pro montáž a ustavování strojních zařízení. V současné době má Machine Support 50 zaměstnanců, kteří nabízejí své odborné znalosti majitelům, provozovatelům a stavitelům lodí, dále opravárenským dokům a dodavatelům základních zařízení (OEM) na celém světě. Geoffrey de Vlaam, Machine Support BV, Nizozemí Zdroj: SKF Ložiska, a. s.