Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса поддержания технического состояния корпусов судов в теории и практике 19
1.1 Анализ существующих методик освидетельствования и дефектации судовых корпусных конструкций 19
1.1.1 Базовые методологические положения и метрологические зависимости оценки состояния корпусных конструкций 20
1.1.2 Зависимости для оценки повреждений судового набора по замерам остаточных деформаций наружной обшивки 27
1.1.3 Определение остаточной стрелки деформации судового корпуса в целом 28
1.1.4 Нормирование величин дефектов 29
1.2 Влияние дефектов корпуса судна на общую и местную прочность 30
1.2.1 Влияние износов на геометрические характеристики сечений элементов корпуса судна 31
1.2.2 Влияние остаточных деформаций на геометрические характеристики сечений элементов корпуса судна 32
1.2.3 Влияние дефектов на геометрические характеристики сечения корпуса судна 34
1.3 Методы восстановления и ремонта судовых корпусных конструкций 37
Выводы главы 1 38
Глава 2 Теоретические исследования методик контроля состояния (выявление дефектов) и влияния дефектов и подкреплений на технические характеристики корпусов судов 40
2.1 Совершенствование методик контроля дефектов корпуса судна 40
2.1.1 Определение метрологических характеристик освидетельствования и дефектации с учетом миграции значений измеряемых величин 40
2.1.2 Разработка инструкции по освидетельствованию износов корпусов 47
2.1.3 Разработка экспертного метода освидетельствования местных остаточных деформаций корпусов судов 59
2.1.4 Исследование возможности определения величин и нормирования деформаций судового набора по данным замеров с наружной стороны остаточной деформации обшивки 61
2.1.4.1 Определение стрелки прогиба выпучины стенки балки в зависимости от прогиба присоединенного пояска обшивки (геометрический подход) 62
2.1.4.2 Определение величины заваливания холостого набора по значению прогиба судовой обшивки в месте крепления набора 63
2.1.4.3 Нормирование величины остаточной деформации обшивки для удовлетворения требований к остаточным деформациям судового набора 74
2.1.5 Определение величины остаточной толщины обшивки поясков эквивалентного бруса по измерению гибкой линии судового корпуса 81
2.1.6 Уточнение методики определения общих остаточных деформаций корпуса судна (прогиба или перегиба) 84
2.1.7 Определение допустимой величины остаточной общей продольной деформации корпуса судна 90
2.2 Влияние подкреплений на характеристики сечений рамных балок и эквивалентного бруса корпуса судна 91
2.2.1 Влияние подкреплений на характеристики сечений рамных балок 91
2.2.1.1 Ремонт рамных балок установкой накладных полос 91
2.2.1.2 Ремонт рамных судовых балок с деформированной стенкой установкой дополнительного листового элемента в плоскости стенки 91
2.2.1.3 Ремонт рамных судовых балок с деформированной стенкой установкой дополнительного профиля на свободный поясок 98
2.2.1.4 Ремонт рамных судовых балок с деформированной стенкой, установкой дополнительного профиля на свободный поясок и листового элементав плоскости стенки балки 106
2.2.1.5 Ремонт рамных судовых балок с деформированной стенкой удалением части стенки, установкой дополнительного листового элемента в плоскости стенки балки и установкой дополнительного профиля на свободный поясок... 110
2.2.2 Изменение геометрических характеристик сечения корпуса судна в результате подкреплений 114
2.2.2.1 Влияние подкреплений накладными полосами на геометрические характеристики сечения корпуса судна 114
2.2.2.2 Влияние подкреплений установкой дополнительных продольных ребер жесткости на геометрические характеристики сечения корпуса судна 115
Выводы главы 2 116
Глава 3 Экспериментальные исследования контроля состояния и влияния дефектов на технические характеристики корпуса судна 119
3.1 Экспериментальная оценка возможностей экспертного метода контроля местных остаточных деформаций 119
3.2 Экспериментальное исследование закономерностей повреждаемости балок судового набора 129
3.2.1 Существующие методики проведения модельного эксперимента судовых перекрытий 129
3.2.2 Модели 131
3.2.2.1 Паянные модели 132
3.2.2.2 Сварные модели 133
3.2.3 Приспособления для крепления моделей и силового воздействия 135
3.2.4 Измерительные инструмент, приспособления и методика ведения замеров 135
3.2.5 Результаты исследования повреждаемости балок холостого набора 139
3.2.6 Исследование закономерностей повреждаемости стенок рамных балок судового набора 143
Выводы главы 3 144
Глава 4 Прикладные задачи на основе выполненных исследованиий по эксплуатации судов 148
4.1 Совершенствовние методики контроля технического состояния судовых корпусных конструкций 148
4.2 Методы ремонта и восстановления судовых корпусных конструкций 150
4..3 Факторы экономической эффективности работы 152
Итоги главы 4 160
Заключение 161
Список использованных источников 163
- Влияние износов на геометрические характеристики сечений элементов корпуса судна
- Разработка экспертного метода освидетельствования местных остаточных деформаций корпусов судов
- Экспериментальное исследование закономерностей повреждаемости балок судового набора
- Методы ремонта и восстановления судовых корпусных конструкций
Введение к работе
Техническое состояние корпусов судов в эксплуатации поддерживается путем осуществления комплекса технико-организационных мероприятий, включающих его контроль, оценку, а также ремонт и восстановление корпусных конструкций. В частности, техническое состояние корпуса судна в период между классификационными освидетельствованиями приходится оценивать и восстанавливать до заданного уровня из-за внезапных отказов и повреждений корпуса, при необходимости изменения условия эксплуатации судна. Для осуществления текущего контроля технического состояния в ходе эксплуатации чрезвычайно желательно иметь методики, позволяющие производит его достаточно оперативно и с минимальными затратами. Для восстановления и увеличения ресурса элементов и в целом всего корпуса судна желательно также иметь методики быстрой и удобной оценки параметров усиления конструкций, а также развить существующие способы ремонта корпусных конструкций, производством ремонтно-восстановительных работ, в частности с использованием метода подкрепления.
Актуальность диссертационной работы. На длительное время реорганизации устройства и экономики страны речной флот практически не пополнялся новыми судами, что вызвало среднестатистическое устаревание флота. Средний возраст судов по ряду источников [59],[63],[44] составил: у несамоходных судов - около 25 лет, у самоходных судов — около 30 лет. То есть среднестатистический возраст судов приближается к заложенному при проектировании плановому сроку их списания. В течение всего жизненного цикла суда накапливают дефекты, частично устраняемые в ходе ремонтно-восстановительных работ, которые в указанный период также проводились нерегулярно (была разрушена система планово-предупредительного ремонта (ПНР) и в настоящее время она только восстанавливается отдельными крупными компаниями [75]). Последний момент еще более усугубил положение с техническим состоянием корпусов судов речного флота. Известно [52], что про-
стой в навигационный период из-за ремонта корпуса достигают 60% от общего времени простоев в ремонте. Перед речным флотом стоит ряд важных проблем, в частности, и в регионе Сибири и Дальнего Востока, см., например, [60],[61],[62]. Пополнение флота с введением федеральных программ обновления флота (оптимизированные оценки структуры которого даны, в частности, в [39]), займет достаточно длительный по продолжительности период времени, но и для увеличения экономической эффективности и безопасности новых судов потребуется совершенствование методик поддержания технического состояния корпусов судов.
Для реализации системы поддержания технического состояния корпусов судов и их безопасной эксплуатации необходимо уточнить научно-методические положения, разработать новые методы, способы, подходы: к системе контроля состояния в ходе эксплуатации; к восстановлению и ремонту дефектных корпусных конструкций; к мониторингу текущего состояния корпусных конструкций. Это позволит, наряду с рядом технико-организационных мер комплексно подойти к вопросу поддержания технического состояния корпусов судов в эксплуатации (средний возраст которых на речном флоте весьма значителен), что и обуславливает актуальность темы в настоящих условиях.
Изученность проблемы. Очевидным фундаментом данных исследований явились методы строительной механики и прочности корабля, разработанные основоположниками дисциплины И.Г. Бубновым, П.Ф. Папковичем, Ю.А. Шиманским, а также в трудах их последователей - Г.В. Бойцова, В.В. Екимова, Я.И. Короткина, В.В. Козлякова, А.А. Курдюмова, Н.В. Маттес, А.И. Макси-маджи, О.М. Палия, СВ. Петинова, В.А. Постнова, О.И. Свечникова, И.Н. Си-верцева, Б.Н. Смолякова, И.И. Трянина и многими другими.
Базовым материалом также очевидно явились положения существующей теории метрологического обеспечения контроля технического состояния объектов, и в частности, специализированные на оценке корпусов судов работы ряда ученых, имена которых оговорены в^первой главе диссертации.
Проектированию судовых.корпусных конструкций, в том числе с учетом
статистики повреждаемости, автор посвятил отдельную работу [10], исследованию и прогнозированию повреждаемости корпусных конструкций автор уделил большое внимание в работе [11], некоторые результаты этих работ использованы в предлагаемой диссертации. Исследованию важных вопросов влияния таких повреждений судовых конструкций как повышенная шероховатость и регулярные местные остаточные деформации (гофрировка) на сопротивление воды движения судна посвящены работы автора [25], [27], [28], где определены зависимости допустимого распределения высоты средней квадратической шероховатости по длине корпуса судна, влияния обшей шероховатости судовой поверхности, взаимное влияние шероховатости и гофрировки, новизна подхода к которым определяется положительным решением Роспатента по заявке на изобретение №2006126478. Последние исследования определили предлагаемые технические решения по осуществлению комплекса технического обслуживания и ремонта судовых конструкций, имеющих указанные повреждения, а также вариантам формирования составов судов с учетом их повреждаемости, закрепленные в патентах РФ [17],[21]. В работах [26], [101] произведена взаимг. ная увязка текущего технического состояния судовых корпусных конструкций (на анализе ускоренной дефектации) с текущей загрузкой судна, гидрометеорологической обстановкой (в частности, высотой волны и направлением хода к фронту волны), выбором оптимальной скорости движения при изменении сопротивления воды и т.д. Предлагаемый в диссертации вопрос рассматривался в работах автора как неотъемлемая часть проблемы обеспечения технического состояния корпусов судов в течение всего цикла его эксплуатации с анализом известных литературных источников по различным направления указанного комплексного вопроса, общий подход автора к которому изложен, в частности, в [12],[23],[33], базирующийся, в частности, на анализе общих закономерностей надежности объекта в сложной системе [34],[35]. Вышесказанное по нашему мнению показывает достаточную изученность рассматриваемого вопроса.
Цель исследования. Обеспечить требуемый (допустимый) уровень технического состояния корпусов судов в ходе эксплуатации наименьшими затратами путем проведения ускоренного контроля и усовершенствования методов ремонтно-восстановительных работ.
Задачи исследования. Поставленная цель может быть достигнута за счет быстрой и достаточно точной оценки технического состояния корпуса судна (улучшения его контролепригодности), эффективных способов восстановления и ремонта судовых конструкций. Конкретизируем основные задачи исследования.
1 Оптимизировать процесс измерений и нормирования дефектов корпу
сов судов по следующим позициям:
для остаточных толщин корпуса судна - по количеству измеряемых элементов и измерений на отдельном элементе;
по местным остаточным деформациям - по упрощению и ускорению процесса, в том числе, путем разработки методики определения и нормирования деформаций стенок рамных балок и величины завала профилей холостых балок по замерам деформаций наружной обшивки;
для общих деформаций корпуса — по методике их контроля с учетом влияния окружающей среды и собственно наличия этих деформаций (прогиба или перегиба).
2 Получить уточненные зависимости изменения геометрических харак
теристик сечений (моментов инерции и сопротивления) вследствие наличия
износов и остаточных деформаций как элементов, так и всего корпуса судна в
целом и дать предложения по их ремонту подкреплением.
Объектом исследования являются корпуса судов в эксплуатации системы водного транспорта.
Предмет исследования — способы, методы контроля и обеспечения допустимого уровня технического состояния судов речного флота.
Методы исследования. Настоящее исследование затрагивает и использует методы различных традиционных дисциплинарных областей: проектирование, контроль состояния конструкций, освидетельствование, ремонт корпусов судов; сопротивление материалов; строительная механика и прочность корабля; метрология; математическая статистика и обработка результатов наблюдений и т.д.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
разработана методика определения метрологических характеристик освидетельствования и дефектации корпусных конструкций судов с учетом миграции измеряемых величин и их нормирования для случая контроля остаточных толщин и местных остаточных деформаций корпусов; разработан алгоритм контроля и нормирования остаточных деформаций судового набора по замерам наружной обшивки корпуса; разработан уточненный алгоритм контроля и нормирования общих остаточных деформаций корпусов;
предложена удобная для расчета модель геометрического сечения рамной тавровой балки с деформированной стенкой (моментов инерции и сопротивления), в том числе с учетом установки подкреплений; разработан уточненный алгоритм учета влияния износов и остаточных деформаций на геометрические характеристики сечений (моментов инерции и сопротивления) профилей и эквивалентного бруса корпусов судов (в частности, показана возможность существенной погрешности в опасную сторону существующего подхода оценки геометрических характеристик сечений балок на базе износа стенки);
экспериментально произведены: оценка точности экспертного (визуального) метода контроля местных остаточных деформаций, систематический модельный эксперимент повреждаемости судовых балок набора (на малых моделях);
предложен ряд методов восстановления и ремонта поврежденных судовых конструкций;
Научные разработки, охватывающие около 76% разделов диссертации, опираются или имеют техническую реализацию в заявках на изобретение, поданных автором в патентное ведомство РФ или уже выданных автору патентам.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработаны и практически реализованы: методики контроля технического состояния корпусных конструкций; способы ремонта поврежденных корпусных конструкций; предложена и использована конструкция малых моделей корпусных перекрытий для изучения больших деформаций конструкций.
Основные положения диссертации использованы ООО «Судоходная компания «Север», а также в учебном процессе НГАВТ по читаемым автором дисциплинам.
Апробация работы. Основные результаты теоретических исследований докладывались на научно-практических конференциях, семинарах и рабочих совещаниях в течение 1987-2007 гг., в том числе, международной конференции FEBRAT-03, «Сибирской ярмарке», научно-практических конференциях вузов г. Новосибирска.
Публикации. Основные теоретические положения, методические рекомендации и практические результаты опубликованы в 60 печатных работах, в частности [10-35,101], в том числе двух монографиях [10,11] (обобщивших часть неупомянутых публикаций), 7 патентах на изобретения РФ [14-19] и патенте на полезную модель РФ [20] (из них 16 публикаций признаваемых ВАК, среди них 6 в рекомендуемых ВАКом журналах).
Положения, выносимые на защиту, следующие.
1 Методы контроля остаточных толщин и деформаций корпуса судна.
Оценки влияния местных повреждений и подкреплений корпусных конструкций на геометрические характеристики сечений (моментов инерции и сопротивления) элементов и корпуса судна в целом.
Способы ремонта судовых конструкций и алгоритмы их расчета или оценки целесообразности применения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и отдельного тома приложений. Основное содержание изложено на 118 страницах машинописного текста, в 8 таблицах, 50 рисунках, 16 страницах списка литературы и оглавления, общим объемом 174 страниц. Том приложений (А-Е) содержит 133 страницы:
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрыта актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, объект и предмет исследования, показана научная новизна результатов и их практическая значимость.
Обзор и оценка наиболее важных в направлении нашей работы исследований, отражающих состояние вопроса поддержания технического состояния корпусов судов, приведен в первой главе диссертации.
Вопросам контроля состояния и освидетельствования судовых конструкций посвятили свои труды такие ученые как А.Г. Архангородский, Г.В. Бавы-кин, Н.В. Барабанов, Л.М. Беленький, А.С. Брикер, А.П. Бутин, К.М. Гатов-ский, М.Н. Гаврилов, И.М. Гуревич, В.Т. Луценко, А.И. Максимаджи, Б.Я. Ро-зендент, Л.Н. Семенов, В.Б. Чистов, Г.П. Шмендюк, М.Н. Эпштейн, А.Д. Юни-тер и многие другие.
Методики ведения освидетельствования судовых конструкций базируются в основном на контроле предельных значений допускаемых повреждений, назначаемых, как правило, на базе прочностных расчетов. Статистика повреждаемости и ходовые качества при этом не берутся во внимание. Так, например, величина вмятины должна контролироваться при освидетельствовании с точностью до 2 мм, допуск на стрелку прогиба вмятины бортов судов ограничен 150 мм. В тоже время статистические исследования показывают, что величина вмятин речных судов редко превосходит 100 мм. И чтобы ответить на вопрос,
не превзошла ли данная конструкция заданный норматив, указанная точность не требуется. Следовательно, целесообразно иметь методики проведения освидетельствования, учитывающие текущее состояние судовых конструкций. Вопросы ходкости и управляемости так же могут наложить отпечаток на допущение величины и места расположения повреждений судового корпуса.
Собственно допускаемые нормативы величин повреждений корпусных конструкций зачастую не согласованы между собой. Как уже отмечалось, допуск на стрелку прогиба вмятины бортов судов ограничен 150 мм, в тоже время и рамный и холостой судовой набор при таких деформациях обязательно выходит за назначенные ему нормативы деформаций. Указанные несоответствия иногда негативно накладывают свой отпечаток на выбор методики освидетельствования и ремонта отдельных судовых корпусных конструкций. Работы в данной области продолжаются.
Оценкой влияния повреждений на прочностные характеристики корпусов судов занимались такие ученые как А.Г. Архангородский, Г.В. Бавыкин, Н.В. Барабанов, Л.М. Беленький, Г.В. Бойцов, А.С. Брикер, Е.П. Бураковский, А.П. Бутин, Н.Ф. Ершов, А.И. Максимаджи, В.В. Новиков, Б.И. Пименов, О.И. Свечников, Л.Н. Семенов, Г.П. Шмендюк, Д.Т. Чапкис, В.Б.Чистов и др.
Развивались как теоретические, так и экспериментальные методы оценки прочности судовых корпусных конструкций. Крупные современные суда оборудуются системами постоянного контроля в эксплуатации напряжений и деформаций в контрольных связях корпуса судна. Вместе с тем не во всех случаях для оценки повреждений получены достаточно точные зависимости, а работу части из существующих выражений расчетных прочностных параметров еще требуется оценить. При этом сохраняется потребность в разработке доступных в эксплуатационных условиях методик оценки общей и местной прочности, позволяющих эксплуатационнику принять обоснованное решение в каждом конкретном случае.
Методам ремонта поврежденных корпусных конструкций посвятили свои работы такие отечественные ученые как А.Г. Архангородский, Л.М. Беленький, И.М.Гуревич, М.С. Михайлов, Б.Я. Розендент, Б.Е. Телянер, Г.П. Турумов, Г.Н. Финкель, В.Б. Чистов и многие другие.
Разработаны многие методы замены, правки и подкрепления поврежденных судовых конструкций. Эти методы достаточно эффективно используются в практике судоремонта. Однако возможна разработка и других методов, имеющих свою нишу применения, в частности, таких, которые могут быть реализованы и силами судовых команд, не имеющими высокого уровня подготовки корпу-сосборочных работ. А также возможно создание простых алгоритмов или номограмм для выбора размеров подкреплений, компенсирующих полученные корпусными конструкциями повреждения.
Требуется произвести разработку подходов и конкретизированных методик ускоренного контроля состояния корпусов судов и способов поддержания и совершенствования технического состояния корпусов судов путем ремонтно-восстановительных работ при эксплуатации судов.
Вторая глава диссертации посвящена теоретическим исследованиям методик контроля дефектов (износов и остаточных деформаций), их влиянию, а также влиянию подкреплений корпусов на прочностные характеристики корпусов судов.
Первый подраздел главы развивает методики освидетельствования и де-фектации судовых корпусных конструкций. Основным направлением реализации этой задачи является учет статистики повреждаемости судовых конструкций в методиках их освидетельствования и дефектации. Кроме этого здесь разрабатывается методика освидетельствования деформаций судового набора по замерам со стороны наружной обшивки. В данном подразделе исследуются и реализуются следующие вопросы:
- определение метрологических характеристик освидетельствования и дефектации с учетом миграции значений измеряемых величин и их нормирования;
разработка положений.инструкции.освидетельствования и.дефектации— остаточных толщин связей корпуса, в частности, получены графические зависимости для определения числа измерений;
разработка положений инструкции по экспертному,(визуальному) освидетельствованию и дефектаций местных остаточных деформаций корпусов судов, в частности, получены значения, до которых возможен такой контроль;
разработка метода предварительного контроля остаточных толщин перекрытий палубы и днища корпуса судна по измерению гибкой линии корпуса судна;
исследование теоретико-экспериментальным методом определения деформаций балок судового набора (выпучин стенок рамных балок, кромочных деформаций стенок рамных балок, заваливание холостого набора) по замерам со стороны наружной обшивки. Экспериментальное исследование (приведены в третьей главе) указанных деформаций проведены на жестяных моделях судовых перекрытий;
нормирование деформаций наружной обшивки, исходя из норм Регистра на деформации судового набора;
уточнение методики определения и нормирование общей остаточной деформации корпуса судна как разницы между определенным значением общего изгиба корпуса и значения упругих деформаций, последние определяются от воздействия суммарного изгибающего момента, включающего кроме изгибающего момента от всех статей нагрузки еще и изгибающие моменты от температурных деформаций и от наличия остаточной стрелки изгиба корпуса судна.
Местные остаточные деформации и подкрепления конструкций, износ набора и обшивки, влияют на общую и местную прочность корпуса судна. Исследованию влияния этих факторов посвящены остальные подразделы второй главы.
Второй подраздел главы исследуется изменение геометрических характеристик сечений элементов корпуса судна из-за износов, остаточных деформа-
ций (Приложение А).и.подкреплений. -Получаются зависимости -для оценки моментов инерции и сопротивления сечений судовых конструкций, а именно:
рамных судовых балок, с равномерным и неравномерным износом про^ филя, приведены результаты расчета, говорящие о возможности существенного отличия изменения моментов инерции и сопротивления сечений профилей по сравнению с коэффициентом износа стенок балок (Приложение А);
рамных судовых балок, имеющих выпучины и кромочные деформации стенок (Приложение А;
балок холостого набора, с равномерным и неравномерным износом профиля, из которого также видна возможность существенного отличия изменения моментов инерции и сопротивления сечений профилей по сравнению с коэффициентом износа стенок балок (Приложение А);
балок холостого набора, получивших в результате деформации наклон (завал) к судовой обшивке, даны удобные номограммы (Приложение А;
рамных судовых балок с различного вида подкреплениями, для всех случаев подкрепления получены удобные для использования номограммы.
исследуется изменение геометрических характеристик сечения корпуса судна из-за износов, остаточных деформаций и подкреплений. Получаются зависимости для оценки моментов инерции и сопротивления сечений корпуса судна, а именно:
эквивалентного бруса корпуса судна с износом связей (Приложение А);
эквивалентного бруса с износом связей и деформациями в виде вмятин (Приложение А);
эквивалентного бруса корпуса судна с учетом подкреплений.
Здесь же реализуется подход по оценке момента инерции и сопротивления эквивалентного бруса корпуса судна по измерению его гибкой линии в ходе эксплуатации.
Третья глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям, уточняющим и дополняющим результаты теоретического рассмотрения
второй главы методик контроля дефектов и их влияния на эксплуатационные характеристики корпусов судов. Здесь рассмотрены следующие вопросы:
экспериментальное уточнение возможностей экспертного метода оценки местных остаточных деформаций в виде бухтин, гофрировки и вмятин, позволивших получить выше приведенные выражения применимости метода;
экспериментальные исследования на малых жестяных моделях деформаций стенки рамных балок судового набора;
экспериментальные исследования на малых жестяных моделях деформаций холостых балок судового набора несимметричного профиля;
Четвертая глава диссертации посвящена обобщению теоретических решений по контролю технического состояния корпусных конструкций в целостную методику, позволяющую, в частности, отслеживать в ходе эксплуатации по назначению состояния корпусных конструкций, в том числе, и обеспечить ее применение судоводителями. Здесь же рассматриваются предлагаемые автором методы ремонта корпусных конструкций и аспекты возможного экономического эффекта от реализации предлагаемых технических решений.
Вопросы главы:
методика ускоренной дефектации корпусов судов;
предложенные автором способы ремонта поврежденных корпусных конструкций;
рассматриваются факторы экономической эффективности. Формулируются факторы экономической эффективности частных способов, методик, решенных задач работы. Даются оценки некоторых конкретных ситуаций, в частности, реализованных на практике способов ремонта судовых перекрытий, новизна подхода в которых закреплена патентами РФ.
В конце работы помещены заключение и общие выводы.
Том «Приложения» включает следующие материалы:
Приложение А - Влияние на геометрические характеристики сечений элементов и корпуса судна в целом износов и остаточных деформаций.
Приложение Б — Номограммы для приближенного определения редукционных коэффициентов деформированных балок холостого набора.
Приложение В - Методика ускоренной дефектации корпусов судов.
Приложение Г - Прорабатотка (на уровне изобретений) методов ремонта корпусных перекрытий.
Приложение Д — Перечень патентов и заявок на изобретение по материалам диссертационного исследования.
Приложение Е - Акты внедрения результатов диссертационного исследования.
Следует отметить, что в работе получен ряд методик и алгоритмов, применение которых позволит получить повышение производительности труда работникам эксплуатационных служб.
Влияние износов на геометрические характеристики сечений элементов корпуса судна
Основными прочностными параметрами как отдельных элементов, так и корпуса судна в целом является геометрические характеристики их сечений -моменты инерции и сопротивления поперечного сечения.
В [71] приведены диапазоны значений момента сопротивления изношенных профилей в долях от момента сопротивления новых профилей (см. таблица 1.2.1)
Приведенные в [71] данные не позволяют определить величину регламентируемых прочностных характеристик для каэюдого конкретного случая износа.
В монографии [58], и Руководстве Р.003-2003 [93] сделано допущение, что снижение регламентируемой (допустимой) остаточной площади сечения балок набора соответствует допустимому снижению остаточного момента сопротивления балок. Данное допущение подробно не обосновывается и требует по, нашему мнению, точной оценки.
Прочность листовых деталей с толщиной листа t, оценивают через момент сопротивления балки полоски (полоски единичной ширины, условно вычленяемый из листового элемента), выражаемый формулой На основании (1.10) получим очевидные формульные выражения относительного изменения характеристик прочности изношенных листовых элементов WH Бп по сравнению с исходным значением (первая формула в долях от единицы, вторая - процентная) где ки - долевое значение остаточной толщины листового элемента от построечного ее значения; И - процентный износ листового элемента. В диссертации д.т.н. В.Б. Чистова [112] даны выражения для определения относительного изменения прочностных характеристик рамных тавровых балок судового набора, у которых в результате эксплуатационных нагрузок произошло выпучивание стенки В [112] делается предположение (без доказательства), что оценки (1.12) и (1.13) могут быть с достаточной для практики точностью использованы и для оценки прочности деформированных рамных балок с кромочной деформа цией стенок. Требуется провести исследование и доказать или опровергнуть это предположение. В [112] также исследованы характеристики идеализированного несимметричного профиля, моделирующего балку холостого набора с наклоном к судовой обшивке. Получены следующие выражения для изменения моментов инерции 1Н и сопротивления WH в зависимости от величины отклонения профиля от плоскости изгиба и W, Погрешность применения модели идеализированного профиля в [112] не оценена, в связи с чем, необходимо оценить возможность применения зависимостей (1.14), (1.15) к реальным профилям.
Отметим одну особенность работы деформированных судовых балок. В статье [82] исследовались на моделях, в том числе и, тавровые балки судового набора. Было обнаружено, что разрушение модели происходило значительно позже, чем происходила потеря устойчивости стенок балок, причем напряжения в стенке значительно превосходили предел текучести материала. ЪЪ Расчет прочностных параметров ЭБ изношенного и деформированного корпуса осуществляется согласно РРР [91, С.103-111] путем непосредственного обсчета ЭБ со значениями остаточных толщин элементов и введения редукционных коэффициентов у деформированных ребер жесткости. Площадь поперечного сечения изношенных балок набора и приведенной площади поперечного сечения бортов и продольных переборок предлагается определять [97, С.215] аналогичным образом по зависимости, которая для ребра жесткости имеет следующий вид где / и f - площади изношенного и построечного ребер жесткости; Ср - скорость изнашивания ребра, мм/год; N - срок службы; / - толщина полки ребра. Не имея на настоящий момент оценки точности формулы (1.16), следует отметить не очевидность применимости ее к тавровым балкам, у которых толщина полок может значительно превосходить толщину стенок. Напрашивается вывод о необходимости оценки работы зависимости (1.16) для балок разного сечения.
Разработка экспертного метода освидетельствования местных остаточных деформаций корпусов судов
Для освидетельствования объектов используются как инструментальные, так и экспертные методы оценки. Ясно, что экспертные методы несут в себе более значительные погрешности. Однако для ряда случаев они могут быть вполне оправданы. Для проведения инструментальных измерений деформаций корпусов судов при освидетельствовании требуются значительные временные затраты. Представляется целесообразным оценить возможности визуального (экспертного) метода для дефектации и освидетельствования деформаций корпусов. Предварительные оценки
В период проведения автором многочисленных измерений остаточных деформаций, результаты и анализ которых приведен в [11], было замечено, что даваемые экспертные оценки величин деформаций достаточно близки данным соответствующих инструментальных замеров. Причем отклонения экспертных оценок от измеренных значений гофрировки и бухтин как правило не превышали 5 мм, а вмятин порядка 15 мм. В ходе обсуждения статистических данных работы [60] с одним из ее авторов В.Б.Чистовым, им была дана похожая оценка погрешности визуальной оценки величины деформаций при накоплении практики измерений. С целью уточнения возможной погрешности экспертной оценки автором были опрошены инспектора Речного Регистра Самуськой РЭБ флота, Моряков-ской РЭБ флота, Новосибирского СРЗ. Они независимо друг от друга дали следующие оценки погрешности визуального определения величины деформаций.
Гофрировка и бухтины - до 5 мм, предельно вообразимая значение данной. погрешности (дана одним из опрошенных) - 10 мм; вмятины — до 20 мм. Базируясь на данные результаты можно сделать предварительную оценку, до какой величины стрелки прогиба /э позволительно использовать экспертный метод замеров. С этой целью будем использовать зависимость, полученную на основе выражения (2.1.4), при принятом значении А, = /э АР определяется по выражению (2.1.4), в котором значение А, определено величиной нормативного значения допускаемой границы величины дефекта при освидетельствовании инструментальным методом.
Тогда для бухтин и гофрировки с учетом выражения (2.1.4), предельного значения границы погрешности є{Р)-10 мм и норматива А, =0,1а (где а - величина холостой шпации, мм, см. п. 1.1.4) имеем следующее значение величины стрелки прогиба, при которой еще допустимо использовать экспертный метод измерения где А2=2 мм - допускаемая погрешность определения стрелки прогиба гофрировки, бухтин и вмятин по РРР.
Так при а= 550 мм получим следующее предельное значение измерения стрелки прогиба гофрировки и бухтин экспертным методом Аналогично для вмятин, имеем где [/ш] - нормативное значение стрелки прогиба для вмятин. Получаем значение для вмятин бортов /эш (А2 = 2 мм; [fm ] = 150 мм)
Известные статистические данные накопления местных остаточных деформаций у судовых корпусных конструкций речных судов свидетельствуют о том, что полученные допускаемые значения, ограничивающие оценки применимости экспертного метода, как правило, не достигаются на практике. Поэтому целесообразно произвести экспериментальную проверку точности экспертного метода контроля местных остаточных деформаций с целью уточнения его погрешности. Таковая оценка произведена на натурных конструкциях (раздел 3.1, в котором и приведены окончательные выражения для оценки применимости экспертного метода оценки местных деформаций корпусных конструкций в виде бухтин, гофрировки и вмятин).
При освидетельствовании судовых перекрытий необходимо оценивать величину деформаций стенок рамных судовых балок и величину отклонения от плоскости изгиба ребер жесткости. При этом желательно иметь зависимости для такого определения не непосредственными измерениями, а косвенными — путем обмеров вмятин с наружной стороны корпуса. Этот вопрос более актуален в случае наличия зашивки корпусных конструкций, демонтаж которой влечет существенные затраты, однако возможность производить дефектацию и освидетельствование без нахождения внутри отсеков сулит выгоды и в отношении не имеющих зашивки несамоходных барж. Это может быть связано с получением ими внезапных повреждений или при наличии точных данных рельефа наружной обшивки (например, полученных путем лазерного сканирования) и наличии компьютерных программ для обработки указанных данных. Выявлению величин повреждаемости балок судового набора в зависимости от величин деформации конструкций перекрытий со стороны наружной обшивки посвящены исследования данного раздела.
Практика определения допускаемых величин остаточных стрелок прогиба судовой обшивки и набора, закрепленная в правилах Российского Речного Регистра носит разобщенный характер. Зачастую позволительные деформации наружной обшивки сопровождаются недопустимыми деформациями судового набора (см. п. 1.1.4). В связи с этим в данном разделе рассматриваются вопросы нормирования остаточных деформаций наружной обшивки как опосредованный параметр нормирования остаточных деформаций балок судового набора.
Возможность определения величины стрелки прогиба выпучины стенки рамной балки fB в зависимости от прогиба обшивки со в месте крепления балки исследовалась В.Б.Чистовым [112] и более подробно И.П.Пойловым [83]. Последним получены зависимости взаимосвязи относительной стрелки прогиба выпучины стенки fB=fBlh и относительного прогиба обшивки co-co/h в месте крепления стенки балки применительно для случая выпучины по всей высоте стенки балки. Указанная относительная величина стрелки прогиба обшивки (величина вмятины) принимается равной относительному изменению высоты стенки балки.
Автором в [11] получены следующие выражения, которые могут быть использованы в равной мере где квх = /2(1-/)/ и кв2 «0,5 - коэффициенты (/- относительное значение длин участков аппроксимирующей деформацию стенки ломанной); hB - протяженность зоны деформации (выпучивания) по высоте стенки балки. Данные выражения для определения стрелок прогиба выпучин стенок рамных балок fB в зависимости от величины прогиба обшивки в месте крепления набора со и протяженности деформаций по высоте стенки hB получены исключительно из геометрических соображений. Следует отметить очевидные недостатки этих зависимостей: неопределенность величины hB и неучтенность влияния толщины стенки профиля на величину стрелок прогиба выпучин стенок рамных балок fB. В тоже время можно предположить, что представление профиля в виде ломанной, позволит получить с удовлетворительной точностью прочностные параметры деформированных балок — моменты инерции и сопротивления.
Экспериментальное исследование закономерностей повреждаемости балок судового набора
Толщину накладной полосы выбирают из технологических соображений не более допускаемой толщины листа [54], которая, как правило, составляет 4...5 мм. Ширину накладной полосы берут 140-180 мм. Накладные полосы устанавливают вдоль длинной стороны пластины, над продольными балками. При этом площадь сечения накладной пластины, устанавливаемая на присоединенный поясок балок, практически без редукционного коэффициента войдет в площадь пояска эквивалентного бруса. При этом для уточнения характеристик сечения корпуса судна нужно ввести суммарную площадь подкрепляющих полос jffjfj в площадь пояска эквивалентного бруса. Например, из выражения (ПА2.31) для момента сопротивления исходного корпуса Wn{ff) получим следующую величину значения момента сопротивления сечения корпуса W {a) с учетом ремонта, получим уравнение Значение момента инерции корпуса судна отремонтированного накладными полосами определится из равенств (ПА2.1), (ПА2.2) с учетом выражения (2.2.41). При превышении фактического значения остаточной продольной деформации ufcm предельно допускаемого значения [иост] по уравнению (2.1.147) не сложно определить потребные характеристики при ремонте накладными полосами. Изменение значения изгибающего момента от остаточной продольной деформации ДМ. « по сравнению с его допускаемым значением [Мп ] по аналогии с уравнением (2.2.163), определим очевидным образом Компенсировать имеющееся фактическое несоответствие изгибающих моментов возможно за счет приращения момента допускаемого АМи А[М0], зная которое получим потребное значение /и п
При наличии потребного значения ///я, и знания числа продольных связей остается подобрать размер сечения накладных полос. Для этого выбирается один из размеров сечения - или размер ширины, или толщины, а затем рассчитывается второй размер накладных полос. Установка дополнительных продольных ребер жесткости уменьшает шпацию в два раза и соответственно уменьшает изгибающий момент, действующий на пластины в четыре раза. При этом редукционный коэффициент части пластин, находящихся между нередуцируемыми присоединенными поясками увеличивается. Кроме этого в площадь отремонтированного таким образом пояска эквивалентного бруса входит и площадь сечения всех дополнительных ребер жесткости. Если рассмотреть зависимость (ПА2.13), то видно указанные преобразования - увеличат коэффициент влияния набора кн пропорционально увеличению площади набора. Редукционные же коэффициенты гибких участков пластин, зависящие от квадрата отношения величин толщины пластины и шпации возрастут, согласно зависимостей (ПА2.15), до четырех раз. В итоге установка дополнительных продольных ребер жесткости в большинстве случаев даст внесение в сечение корпуса судна большее, чем их собственная площадь. Это выгодно отличает данный вид ремонта от установки накладных полос на присоединенные пояски продольных балок. Однако следует отметить, что технологичность установки накладных полос значительно выше. 1 Учет допустимых отклонений, повреждений и износов конструкций позволяет во многих случаях значительно снизить требования к процедуре освидетельствования. 2
Применение более грубых средств измерений повысит возможности механизации процесса обмеров, а снижение потребного числа замеров ускорит ход процесса освидетельствования. 3 Использование визуального (экспертного) метода позволит получить значительную экономию времени при освидетельствовании корпусов судов. 4 В расчет погрешности измерений остаточных стрелок прогиба судовых конструкций нужно внести погрешность выбора оператором зоны дефектации. Величину указанной погрешности можно принять равной допускаемой Российским Речным Регистром погрешности обмеров деформаций. 5 Для определения максимально допускаемой величины деформаций бухтин и вмятин при которых возможен контроль экспертным методом даны элементарные зависимости. 6 Получены выражения для определения остаточных толщин поясков ЭБ корпуса судна по измерению его гибкой линии, которые могут быть применены для ускоренной оценки в ходе непосредственной эксплуатации по назначению. 7 Получены аналитические и удобные графические для ускоренной оценки зависимости взаимосвязи величин повреждаемости судового набора по замерам величины остаточных деформаций судовой обшивки в местах крепления указанного набора. Указанные аналитические модели скорректированы на основании эксперимента малых моделей судовых перекрытий (см.главу 3). 8 Предложен уточненный способ определения общих продольных остаточных деформаций (прогибов и перегибов) корпусов судов с учетом температурных напряжений и собственного влияния наличия указанных остаточных деформаций, удобный для использования в ходе непосредственной эксплуатации по назначению.
Методы ремонта и восстановления судовых корпусных конструкций
Автором разработана «Методика ускоренной дефектации судовых корпусов» (Приложение В), предназначенная как для инспекции РРР, так и для эксплуатационных служб. Поскольку она в настоящий момент не принята РРР, то ее можно использовать в качестве методики дорегистровой оценки. Объемы дефектации влияют на сроки ее проведения, и поэтому обоснованное их планирование позволит снизить расходы судовладельца, как на саму процедуру, так и за счет планирования сроков вывода судов из эксплуатации. Собственно возможность регулярного контроля состояния корпуса судовыми командами (в частности, по гибкой линии корпуса) позволит оптимизировать процесс эксплуатации судна по назначению (см. ниже задачи по соотнесению собственных характеристик судов и эксплуатационных условий), сроки проведения ремонтных, восстановительных и модернизационных мероприятий. Это в свою очередь позволит экономически более обосновано, с учетом индивидуальных особенностей судна планировать и осуществлять весь комплекс эксплуатационных мероприятий. Подытожив сказанное, можно заключить, что самоконтроль судовыми командами состояния корпусов судов может служить основой для оптимизации процесса их эксплуатации и, возможно, продления самого срока службы.
Отметим некоторые моменты «Методики ускоренной дефектации...», которые наиболее доступны для использования в условиях непосредственной эксплуатации судов по назначению.
Так, косвенное определение остаточных толщин по измерению гибкой линии корпуса судна позволит быстро и без каких-либо заметных дополнительных затрат определится в ходе эксплуатации с объемами необходимой дефектации износов корпусов судов.
Эти же измерения гибкой линии корпусов при известной (плановой) загрузке судов, а также измерения у них напряжений (относительных деформаций) в крайних связях эквивалентного бруса, позволяют определить фактические прочностные характеристики корпусов судов - моменты инерции, сопротивления, а таюке значения общих остаточных деформаций.
При внезапном получении дефектов судовыми конструкциями, они должны быть обследованы по возможности детально, и при нахождении судна в рейсе силами команд. Сокращение затрат на такое обследование может быть достигнуто за счет измерений с более доступной стороны. С этой целью разработаны приемы в оценки величины стрелки выпучин рамных балок и величины завала холостых балок судового набора (пп.2.2.4.2, 2.2.4.3, 3.2.6) по замерам прогиба обшивки в месте крепления набора. Оценка повреждений судового набора по измерениям со стороны наружной обшивки позволит судовладельцам экономить средства на иногда неоправданное вскрытие судовой зашивки и в процессе проведения плановых работ по освидетельствованию корпусов судов.
Отметим также, что сокращение объема измерений при дефектации корпусных конструкций соответствует целям службы судового хозяйства и инспекции ррр.
Сокращение объема измерения износов достигается и путем введения вероятностного подхода (см. п.2.2.2) как для предварительного метрологического анализа процедуры определения состояния судовой конструкции, так и в ходе процедуры проведения измерений, путем оценки допускаемой разницы значений отдельных результатов измерений между собой. Сокращение объема измерений стрелок прогиба вмятин, бухтин, гофрировки (см. пп.2.2.3, 3.1) достигается за счет предварительной экспертной визуальной оценки, в частности, с помощью шаблонов, значений этих дефектов, выявления возможных элементов с нарушениями норм РРР, которые в последующем и подлежат дальнейшим обмерам.
Методы ремонта и восстановления, судовых корпусных конструкций предлагаемые автором, приведены в Приложении Д, некоторые расчетные и графические материалы по определению геометрических характеристик сечений отремонтированных балок судового набора даны в п. 2.3.3. Часть методов ремонта поврежденных судовых конструкций чрезвычайно проста в реализации и может осуществляться силами судовых команд в случае внезапного возникновения дефектов. В это число можно отнести такие методы как (Приложение Д): - подкрепление деформированных рамных связей кницами и врезными бракетами; - подкрепление деформированных стенок рамных связей продольным ребром жесткости; - подкрепление деформированных рамных связей, согласно построенным автором номограммам, листовыми элементами в плоскости стенки балки по п.2.3.3.2; - подкрепление деформированных рамных связей, согласно построенным автором номограммам, типовыми катанными профилями по свободному пояску по п.2.3.3.3. Другая часть предложенных автором методов позволяет, хотя и заводским способом, но более оперативно произвести восстановительные или ремонтные мероприятия. Так «Способ ремонта судового перекрытия» [16] и «Способ модернизации корпусных конструкций» предусматривают восстановление наружных размеров корпусов и при этом позволяют снизить объемы демонтажа судовых систем и зашивки. Кроме этого использование последнего способа позволяет в частности вообще производить ремонт без вскрытия ремонтируемых конструкций, что дает возможность отказаться от всего комплекса работ по демонтажу судовых систем корпуса судна, вырезке деформированных или изношенных конструкций. Указанные способы могут быть особенно рекомендованы в случаях ремонтов в течение навигации, чтобы снизить простои судов. «Способ ремонта поврежденных связей» [15] для его полной реализации требует навыков правки судовых конструкций и наиболее целесообразен в межнавигационных ремонтах, хотя и он достаточно прост. Отметим особо «Способ эксплуатации судов и составов», предусматривающий анализ гидромеханических характеристик судов и составов с последующим принятием решения о дальнейшей эксплуатации, в частности, производстве ремонтных работ [21]. Данный способ гибко подходит к вопросу определения потребности ремонтно-восстановительных работ, в некоторых случаях ограничивается частичными их объемами. Основанием для этого послужили экспериментальные и теоретические исследования автора сопротивления судов с повреждением судовой обшивки в виде повышенной шероховатости и местных остаточных деформаций, которые в виду устоявшихся ограничений на размер квалификационной работы здесь не приводятся. В целом можно говорить о широкой возможности применения предлагаемых автором способов ремонтно-восстановительных работ и методик расчета подкрепляющих элементов как в условиях навигационного, так и межнавигационного ремонтов. Предложенные и проработанные в диссертации методы, способы, задачи представляют собой в совокупности работу, расчет экономической эффективности которой в целом трудно определим, он потребует в связи с большой вариативностью возможных исходных данных комплекса специализированных исследований, прорабатывающих эффективность отдельных или частных групп решений, полученных в данной диссертации. Для решения задачи об определении эффективности технических и организационных решений требуется предварительные данные или оценки конкретных условий состояния объектов и баз эксплуатации, технологий, наличия материалов, доступность их получения и использования (в том числе соблюдение авторских прав), анализ экономической ситуации, анализ метеорологических условий и многое другое. Указанные данные могут быть получены или конкретизированы только для условий конкретных судов, предприятий, паро-ходств и т.д. Для характеристики экономической эффективности полученных в работе отдельных методик, способов, задач, по мнению автора, следует рассматривать потенциальные факторы ее получения с конкретизацией некоторыми частными оценками.
