автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Конструктивно-технологические и организационныепроблемы повышения конкурентоспособности танкеровотечественной постройки на мировом рынке

РГА УА н '■) т ь/^

Санкт-Петербургский Государственный морской технический университет

АЛЕКСАНДРОВ Владимир Леонидович

УДК 658.012.011.56.008 на правах рукописи

Конструктивно-технологические и организационные проблемы повышения конкурентоспособности танкеров отечественной постройки на мировом рынке

Специальность - 05.08.04 -технология судостроения, судоремонта и организации судостроительного производства Специальность - 05.08.03 -проектирование и конструкция судов

Диссертация

в форме научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена на ГП «Адмиралтейские верфи»

Научный руководитель:

д. т. н., профессор Ростовцев Д. М.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор, член-корреспондент Академии наук Российской Федерации Пашин В. М.

д.т.н., профессор Веселков В. В.

Ведущее предприятие— ЦНИИТС

Защита диссертации состоится 25 апреля 1994 г. в 14 часов в Актовом зале на заседании специализированного совета Д 053.23.03 в Санкт-Петербургском Государственном морском техническом университете.

Адрес Университета: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул. д. 3.

Отзыв на научный доклад в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью просим направить в адрес специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета.

Научный доклад разослан 24 марта 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета к. т. н., профессор

А. А. Харин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В связи с начавшимися процессами коиверспиперед судостроительными заводами России остро встала проблема выхода на рынок и обеспечения конкурентоспособности своей продукции. Результаты исследований, посвященные изучению перспектив развития мирового судостроения в целом дают оптимистические оценки этой отрасли производства. Так, в 1991 - 1995 г.г. мировой объем производства судов характеризуется величиной 107 m.ui. per. т., период 1995 - 2000 г.г.-ее ростом до 121 млн. per. т. Основную дошо (57 - 62%) в общем объеме составят танкеры и навал очные езда. Исходя из имеющихся прогнозов и технических возможностей верфей, а также учитывая потребности внугряшего Российского рынка ГП «Адмиралтейские верфи» приступило к реализации танкерной программы.

Создание конкурентоспособного г анкера является системно-оптимизационным процессом, главнейшими выходнымы параметрами которого выступают продажная цена судна и его качество. До недавнего времени себестоимость судов Российской постройки формировалась в условиях низких иен на энергоносители и относительно шпкой (по сравнению с европейским стандартом) заработной платой судостроителей, что позволяло варьировать продажной ценой судна в весьма широких пределах. Как правило, цена танкера Российской постройки на 15 - 30° о ниже среднемирового уровня (см. рис. 1).

В настоящее сремя ситуация, как известно, меняется. Повышение цен на энергоносители привело к росту- стоимости стали и продукции заводов поставщиков оборудования. Постоянно растет стоимость рабочей силы. В этих условиях на первый план выходит проблема качества судов Российской постройки. Проблема обеспечения качества, как известно, комплексная и включает в себя целый ряд подпроблем.

Одним из главных показателей качества танкера является надежность и безаварийность его эксплуатации, которая, кроме всего прочего, имеет важнейшее экологическое значение. Вместе с тем аварийность танкеров остается весьма высокой (в среднем 2-3 танкера из каждых 100 в год). Среди причин такого положения выделяют три основных:

Рис. 1. Динамика цен мирового рынка на танкеры.

- навигационную;

- связантто с отказом в работе механизмов;

- из-за повреждения корпусных конструкций.

По данным иностранных экспертов до 40% навигационных ошибок совершаются вследствие переутомления экипажа, вызванного повышенными уровнямншума «вибрации. Повышенные уровни вибрации также весьма отрицательно влияют на параметры надежности систем, механизмов и корпусных конструкций.

Косвенным подтверждением этого служит то обстоятельство, что наибольший процент аварии падает на танкеры с меньшим водоизмещением, на которых уровни вибрации в целом выше. Экпе-рименталышеисследования, проведенные в последнее время головными институтами отрасти, показывают, что практически на всех танкерах постройки СНГ уровни вибрации в бытовых помещениях значительно превосходят требования Российских санитарных, норм вибрации, а в ряде случаев и национальные санитарные требования стран возможных импортеров танкеров Российской постройки. Таким образом, снижение вибрации на вновь строящихся танкерах и доведение уровнен вибрапиип обитаемых помещениях танкеров до требований санитарных норм является важной социальной, эконо-мпчсскойиэкологическоГшроблемоп, а также необходимым условием их конкурентоспособности на внешнем рынке.

Цели н задачи исслелования

Целью диссертацноннойработы явилось улучшение вибрационных условий обитаемости на танкерах» обеспечение их конкурентоспособности на внешнем рынке путем разработки на научной основе эффективных методов борьбы с вибрацией на танкерах в процессе их постройки. Для достижения поставленной цели потребовалось решить совокупность следующих осиовныхзадач, включающих:

разработку концепции снижения уровней ходовой вибрации танкеров в процессе их постройки;

создание методологии системного подхода к проблеме улучшения вибрационных условий обитаемости на танкерах в заводских условиях;

разработку непрерывного технологического цикла осуществления противовнбрацпонных мероприятий в процессе постройки, швартовых и ходовых испытаний танкера; создание методов расчетного прогнозирования стрелок остаточного изгиба килевой лпшш кормовых оконечностей корпусов танкеров с целью определения величин обратного технологического дифферента;

иследование влияния технологической разгрузки подшипников валопровода на параметры вибрации танкера; отработку методики частотных испытаний надстройки и ее отдельных палуб в процессе строительства.

Методика исследований

При выполнении диссртацнонной работы был произведен системный анализ имеющихся экспериментальных данных по вибрации транспортных судов, полученных специалистами ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, ЦНИИ МФ, заводской лаборатории ГП «Адмиралтейские верфи», а также выполнен анализ трудов ведущих, ученых в областях вибрации, проектирования и технологии постройки: Ю.А.Шнманского, В.С.Чувиковского, В.А.Постнова, Д.М.Ростовиепа, В.М.Пашина, В.С.Соколова, В.Ю.Лепзермана.

Теоретическую основу исследовании составили метод системно-структурного анализа, теишчсскаятеориявибращшсудов, группа методов многоуровневых подструктур, метод размерно-технологического анализа.

Техническая теория вибрации применена приразработке приближении методов р асчетного прогнозир ов ангш данамических ха-рактеристик надстроек, при уточненном расчете частот свободных колебаний валопровода, а также при отработке методики частотных испытаний надстройки в целом и ее отдельных конструкций.

Алгоритмы методов многоуровневых подструктур использованы при создании непрерывного технологического цикла борьбы с вибрацией в процессе постройки судна.

Размерно-технологический анализ применен при разработке методов установки днищевых секций кормовой оконечности корпуса, обеспечивающих необходимую точность технологического дифферента.

Новые научные положения

разработана концепция н методология'улучшения вибрационных условий обитаемости на танкерах в процессе их постройки;

созданы методы приближенного расчетного прогнозирования параметров собственныхколебаний надстроек танкеров; исследовано влияние общего технологичского изгиба корпуса судна на его вибрационные характеристики; разработагшепрерьгоньштехнолопггескийцшслпротивовиб-рациошшх мероприятий в процессе постройки танкеров.

Практическая ценность работы заключается в решении актуальной для судостроения проблемы повышения конкурентоспособности танкеров отечественной постройки на мировом рынке путем существенного улучшения вибрационных характеристик условий обитаемости.

Разработанные в диссертационной работе метода и подходы позволяют эффективно бороться с повышенной вибрацией транспортных судов в процессе постройки при минимальном расходовании трудовых и материальных ресурсов завода.

Реализация работы в промышленности

Основные результаты работы внедрены на ГП «Адмнралтей-скиеверфи»впроцессепостройкита1шеров типа «Пулково» проекта 15966, а так же танкеров проекта 17220.

В результате внедрения в технологический цикл постройки системы разработанных в диссертации противовибрацнонных мероприятий на танкер «Пулково» пр. 15966 удалось удовлетворить всем требованиям ISO по вибращш в обитаемых помещениях при движении танкера в полном грузу на спецификационных режимах.

Апробащш работы

Основ1шерезуЛ1татыпроведешгых исследований докладывались:

на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГМТУ, 1993 г.; на первой международной научно-технической конференции «300-леше Российского флотах, 1992 г.; на постоянно действующем семинаре по вибрации транспортных судов в НПО «Полярная звезда», 1992 г.; на объединенном заседании кафедры технологии судостроения и кафедры конструкции корпуса СПбГМТУ, 1994 г.

Публикации

Основные научныерезультаты, полученные автором, изложены в 5-ти опубликованных статьях, и одной монографии, принятой

Введение

Одним из важнейших показателей конкурентоспособности танкера на международном рынке являются уровни вибрации, фиксируемые в жилых н служебных помещениях судна. В то же время, замеры, регулярно проводимыенатанкерах отечественной постройки показывают, что ходовая вибрация в обитаемых помещениях судов существенно превышает Российские санитарные нормы, а нередко и национальные санитарные требования стран возможных импортеров танкеров Российской постройки. Поэтому борьба с повышенной вибрацией на танкерах является, как уже отмечалось, весьма важной задачей. В соответствии со сложившейся мировой практикой борьба сповышенной вибрацией судна ведется на стадии проектирования!! в период его сдачи, т.е. на уже построенном судне. Стадия постройки судна из этого процесса выпадает. В то же время есть все основашы полагать; что именно на стадии постройки танкера борьба с вибрацией может вестись наиболее эффективно. Поэтому одной из главных задач настоящей диссертационной работы явилось создание единой концепции борьбы с повышенной вибрацией в процессе постройки танкера на базе 067,единения расчетных, экспериментальных и технологических методов и внедрение ее на судостроительных предприятиях. Реализация этих направлении потребовала проведения системного анализа вибрационных условий обитаемости на судах танкерного флота, разработку и внедрение методики чатотных испытаний корпусных конструкций в процессе постройки судна, создания приближенных методов, позволяющих оценивать динамические характеристики судовых надстроек в цеховых условиях, а также специальных исследований влияния технологических факторов на параметры вибрации судовых конструкций. К таким факторам в первую очередь относится общий изгиб корпуса судна в кормовой оконечности, который воздействует на линию вала и изменяет его динамические параметры, что в свою очередь может существенно увеличивать вибрационные возмущающие усилия, передающиеся через лнншо вала на корпус танкера.

Структурная схема исследований, выполненных в диссертации представлена на рисунке 2.

в

Внедрение разработанных рекомендаций на танкере "Пулково" проекта 15966

Рис. 2. Структурная схема исследований.

1. Анализ современного состояния вибрационных услоши'гоон-таемостп на судах танкерного флота

С 1976 года введены в действие санитарные нормы вибрации па морских, речных и озерных судах СП-1103-73, которые установили предельно допускаемые уровни вибрации в местах пребывания пассажиров и экипажа. Выполнение требований СН-11003-73 гарантирует отстутствие остаточных физиологических явлений, воздействия вибрации на организм человека. С момента ввода санитарных норм начались систематические измерения вибрации в обитаемых помещениях транспортных судов.Эти измерения показали, что практически на всех судах отечественной и зарубежной постройки уровни вибрации в обитаемых помещениях существенно превосходят требования СН-11003-73. Причем в группе наиболее неблагополучных судов (сточки зрения ¡вибрационных условий обитаемости) оказались танкеры. Осреднеиные уровни вибрации жилых помещений современных танкеров представлены на рисунке 3.

1Э' Дб ПС-6

Рис. 3. Средние уровни вибрации в обитаемых помещениях современных танкеров.

Каквидно превышение средних уровней вибрации над требованиями шестого предельного спектра санитарных норм ПС-6, который регламентирует вибрацию в жилых и общественных помещениях достигает 10 и более децибел. Существуют объективные причины предрасположенности обитаемых помещений танкеров к повышенной вибрации. К ним относятся кормовое расположение надстройки на современных танкерах и использование в качестве главного двигателя малооборотных дизелей. При кормовом расположении надстройки жилые, служебные и медицинские помещения оказываются в непосредственной близости от основных источников шюрлции - винтов и главных двигателей. Малооборотные дизели индуцируют весьма плотный спектр возмущающих усилий. Отмеченные факторы действуют для всех танкеров. В то же время максимальные превышения уровней вибрации в обитаемых помещениях танкеров различных проектов, в том числе и близких по проектным характеристикам, разнятся весьма существенно (см. рис. 4).

Рис. 4. Максимальное превышение уровней вибрации в обитаемых помещениях танкеров над требованиями СН-1103-73

Это обстоятельство заставило подвергнуть системному анализу имеющиеся экспериментальные данные по вибрации танкеров с целью выявления доминантных причин резких повышений (15 - 20 дБ) уровней вибрации обитаемых помещений над требованиями СН-1103-73. Было проанализировано вибрационное состояние 17 танкеров различных проектов. При этом использовались результа-

ты измерении вибрации ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, ЦНИИ МФ, а также заводской лаборатории ГП «Адмиралтейские верфи».

Основными факторами, определяющими уровень вибрации в обитаемых помещениях танкеров являются:

уровень общей ходовой вибрации корпуса танкера; наличие или отсутствие резонанса основной частоты надстройки с частотами ходоноп вибрации; наличие или отсутствие резонанса основной частоты палубы обитаемого помещения надстройки с частотами ходовой вибрации.

Подробный анализ параметров общей ходовой вибрации показал, что уровень общей ходовой вибрации современных танкеров создает фоновые уровни вибрации в обптаемемых помещениях на 4 - 5 дБ превышающие требования санитарных норм и не является ответственным за пиковые превышения, достигающие (см. рис. 4) 15-20 дБ. •

В то же время, анализ имеющихся экспериментальных данных по собственным динамическим характеристикам надстроек и палуб надстроек выявил, что основные частоты надстроектанкеров лежат в частотном диапазоне 6 -14 Гц и такт! образом попадают в октаву 8 Гц и 16 Гц. Собствишые основные частоты вертикальных колебаний обитаемых палуб надстроек концентрируются в частотном диапазоне 8 - 20 Гц и также оказываются в частотных октавах со среднегеометрическими значениями частот 8 Гц и 16 Гц. На этот же частотный диапазон накладываются усилия лопастной и двойной лопастной частоты, инд\иирусмыегребным винтом, а также усилия 5-12 порядков, индуцируемые малооборотным дизелем. Таким образом существует реальная опасность возникновения резонансных колебаний надстроек и палуб танкеров. Так, например, на головном танкере проекта 12990 «Победа» основная частота колебаний надстройки в продольном направлении 8 Гц совпала с лопастной частотой. В результате развившихся резонансных колебаний уровни вибрации в жилых помещениях превысили требования СН-1 103-073 на 20 дБ. На головном танкере пр. 15966 «М1-М1» постройки ХСПО основная частота вертикальных колебаний жилой палубы надстройки совпала с частотой 5-го порядка, индуцированной главным двигателем. В результате уровш! вибрации в обитаемых помещениях превысили требования СН-1103-73. Эти примеры можно продолжить, привлекая транспортные суда других типов. На головном контейнеровозе пр. 16075 «Кронштадт» вследствие резонансов

палуб надстройки уровни вибрации в обитаемых помещениях судна превысили требования санитарных норм на 20 дБ.

Таким образом доминантной причиной повышенной вибрации надстроек танкеров в частотных октавах 8 Гц и 16 Гц является резонанс основной частоты надстройки (как правило, в продольном направлении) с частотами, индуцируемыми гребным винтом и главным двигателем и резонансы основных частот отдельных палуб надстройки.

Приведенный системный анализ экспериментальных данных по вибрации танкеров позволил сформулировать концепцию борьбы с повышенной вибрацией танкера в процессе его постройки. Основными его положениями являются:

исключение резонансных колебаний надстроек и палуб обитаемых помещений надстроек;

снижение уровня возмущающих усилий, индуцируемых системой вал-винт и главным двигателем. ! Исключение резонансных колебаний должно проводиться на базе частотных колебаний, а снижение уровня возмущающих усилий с помощью специально разработанной технологии сборки и сварки кормовой части судна.

При разработке концепции учитывался мировой и отечественный опыт борьбы с вибрацией на судах, согласно которому резонансные колебания конструкций исключаются, главным образом, на стадии проектирования судна, к чему на первый взгляд имеются в се пр едпосылки. В насго ящее вр емя специалистами ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова созданы мощные расчетные методики и обеспечивающие их программныесйстемы, позволяющие на ранней стадии проектирования танкера прогнозировать значения собственных частот надстроек и их палуб с высокой степенью точности, что казалось бы должно исключить возможность возникновения резо-нансов. Однако на практике далеко не всегда удается добиться точности, достаточной для выбора оптимальных решений. Дело в том, что надежное расчетное прогнозирование требует использования расчетных моделей высокого уровня, формирование и обработка которых, в свою очередь требуют значительных временных затрат. Определенные временные резервы, достаточные для формиро-ваниярасчетных моделей, имеются наранних стадиях проектирования, однако в этот период отсутствует необходимый объем информации по. жесткостным, инерционным и геометрическим параметрам корпусных конструкций судна. Учитывая то, что общее время,

затрачиваемое па проектирование судов постоянно сокращается, можно предполагать, что обозначенное противоречие в обозримом будущем разрешено не будет, а следовательно, нет основании ожидать полного решения проблем вибрации на стащш проектирования судна.

С другой стороны, эффективное использование этих алгоритмов прсдполагаетналнчиеисполнителей определенного уровня подготовки, что в условиях современного конструкторского бюро не всегда достижимо. Кроме того, в процессе постройки судна по требованию заказчика планировка и конструкция надстройки нередко претерпевают значительные изменения, что влечет за собой изменение значении частот надстройки и ее палуб по сравнсшпо с проектными значеннями.Изложенное заставляет прийти к выводу, что в современных условиях надежно исключить на стадии проектирования возможные резонансы надстройки и ее палуб практически невозможно.

Першос борьбы с резонанснойвибраш1сйна стадию постройки судна зреоует наличия эффективного метода, позволяющего в заводских условиях с высокой степенью точности определять значения собственных частот конструкции.

2. Проведшие частотных испытаний в период постройки судна

Частотные испытания имеют своей целыо эспериментальное определение значенной собственных частот конструкций и сопоставление их с частотами возмущающих усилии. В случае если со-бственшпечастотыиспытываемыхконструкцийоказываютсяв опасной близости отчастотвозмущаюгцихусилий проводятся конструктивные и технологические мероприятия по отстройке собстве1шых частот конструкций от частот возмущающих, усилий, после чего испытания повторяются с целыо проверки достаточности внедренных мероприятий. Разумеется частотные испытания должны быть по срокам оптимально вписаны в построечный цикл судна, т.е. должны проводиться тогда, когда основные жесткостные и инерци-огшыепараметрыконструкции, определяющие ее собственные динамические характеристики сформированы, но в то же время сохраняется возможность их изменения бех существенных времешшх и материальных затрат.

Согласно разработанной концепции борьбы с вибрацией в период постройки танкера обязательными объектами частотных

испытаний являются:

- надстройка танкера в целом;

- обитаемые палубы надстройки; ,

- корпус главного двигателя танкера.

Частотные испытания надстройки могут проводиться как на надстр ойке ужеустановленной на корпусе судна, так и на неустановленной. В последнем случае необходимо правильно смоделировать условия крепления надстройки. Объектом исследования, как правило, являются основные частоты продольных и крутильных колебаний, формы которых представлены на рис. 5.

Форма продольных колебаний надстройки

Форма крутильных колебаний надстройки

Рис-. 5. Формы колебаний надстройки

Значения основных част от продольных колебаний надстроек морских транспортных судов лежат в диапазоне 6 - 14 Гц и их резонансы с лопастными частотами наиболее опасны. Значения собственной чатсугакрушльшлх колебании обычно превышает частоту продольных колебаний в 1,3 - 1,5 раза.

Измерения частотной характеристики напболеорашюнально производить при синусоидальном возбуждении се колебании продольной силон с помощью дебалансного пли электродинамического вибровозбудителя. Дебалансный вибровозбудитель жестко крепится с помощью специального фундамента к палубе ходового мостика. Электродинамический вибратор может быть подвешен в горизонтальном положении, передача усилия в этом случае осуществляется через шпильку. Для возбуждения обеих низших форм колебаний сил}' желательно прикладывать и; плоскости боковой наружной стснкн. Необходимая величина усилия для уверенного построения частотной характеристики должна составлять не менее 100 Н.

Частотные испытания палубных перекрытии жилых ярусов надстроек производятся, когда надстройка смонтирована па корпусе су;п!а. Они выполняются на голых мет аллических конструкциях до монтажа изоляции и насыщения.

Типовая конструкция палубы жилого яруса судовой надстройки представляет собой плоское перекрытие, набранное по продольной или поперечной системе набора. С помощью несущих выгородок жилые палубы разделены на ряд полей. Поля представляют собой вытянутое вдоль основного набора перекрытие, разделенное на части продольными выгородками. Между выгородками бимсов подкреплены карлннгсами, лежащими в плоскостях межкаютных перегородок. Жилые палубы надстроек в условиях отсутствия изоляции и насыщения имеют петой спектр активно проявляющихся собственныхчатот, что является следствие сложного динамического взаимодействия отдельных элементов конструкции и слабого демпфирования. Значение первой собственной частоты жилой палубы обычно лежит в диапазоне 8 - 20 гЦ. Оно определяется низшей из парциальных частот карлингсов в пролете между наружной стенкой и поперечной выгородкой, а также бимсов в пролете между карлннгсами. Соответствующие формы колебаний представлены на рис. 6.

Форма колебаний, соответствующая низшей парциальной частоте карлингсов

Форма колебаний, соответствующая низшей парциальной частоте бимсов

Рис. 6. Формы колебаний палубного перекрытия

Возбуждение колебаний палубных перекрытий производится гармонической силой с помощью переносного электродинамического вибратора, подвешиваемого на пружине к штативу, который, в свою очередь, устанавливается на палубу и удерживается при колебаниях неподвижно за счет своей массы. Передача усилия на палубу осуществляется через шпильку с малой изгибной жесткостью для исключения передачи случайного изгибающего момента. Необходимая величина для снятия частотной характеристики составляет 10 Н. Вместо электродинамического вибратора может использоваться вибромолоток.

Полученные экспериментальные значения низших собственных частот перекрытий необходимо откорректировать с учетом недостающей массы изоляции и насыщения. Проведенныерасчетно-экспериментальные исследования показали, что поправочный коэффициент к величине работы, полученной без учета массы изоляции и насыщения составляет величину 0,8.

Частотные испытания корпуса главного двигателя имеют целью определение его основной частоты и проводятся на стадии швартовыхиспыганий танкера. По результатам частотныхиспыта-

нин мог\т быть приняты решения о постановке дополнительных креплений корпуса двигателя. Для возбуждения колебаний используется вибромолоток.

С использованием разработанной методики были проведены частотные испытания перекрытий надстройки танкера пр. 15966 «Пулково». Испытывалнсь перекрытия 2-го и 3-го ярусов, а также перекрыл ге ходовой рубки. Для проведения испытаний был сформирован специализированный измерительный комплекс. Колебания возбуждались электродинамическим возбудителем. Величина силы в рабочем диапазоне поддерживалась постоянной. Съем информации осуществлялся с помощью акселерометров типа 4381 с записью на измерительный магнитофон 7006. В измерительный комплекс были включены также управляющий генератор РГ-23, измерительный усилитель 2607, усилитель заряда 2635, сопровождающий фильтр 1623. Анализ результатов проводился на узкополосном ;ч л столпом анализаторе 2034.

Значения частот собственных частот перекрытий, полученные в результате испытаний представлены и таблице 1.

Таблица 1

Наименование конструкции Собственные частоты: Гц

3-й ярус, лобовой блок кают 7.5 9.5 12.5

3-й ярус, блок кают ЛБ 7.5 9 -

3-й ярус, блок кают ПБ 12 16 17.5

2-й ярус, лобовой блок кают 16 17.5 20

Ходовая рубка 14 16 18.0

В результате проводимых испытаний было установлено, что существует опасностьвозшпшовениярезонансныхколебаний палуб надстройки с частотами 4 и 6 порядков. Поэтому были разработаны и установлены подкрепления палуб, позволившие повысить их собственные частоты в 2 - 3 раза и тем самым исключить возможность резонансных колебаний. Правильность принятыхрешенийподтвер-ждена результатами ходовых испытаний танкера «Пулково». •

3. Приближенные методы определения значений основной час- -то гы надстройки танкера

Эффективное применение комплекса противовибрационных мероприятий, одним из ¡центральных моментов которого являются частотные испытания, требует наличия расчетных методов, позволяющих определять зоны значений собственных частот испытываемых конструкций, а также оценивать, хотя бы качественно, рациональность и достаточность используемыхконструктивныхитехно-логических средств борьбы с вибрацией.

Современные структурные методы, использующие конечно-элементные и супер-элементные подходы, позволяют рассчитать значения собственных частот надстроекиихконструкцийсвысокой степенью точности. При этом в рамках пространственных натуро-подобных моделей могут быть учтены не только все факторы динамического взаимодействия корпуса танкера и надстройки, но даже влияние на параметры собственных колебаний надстройки ветровой нагрузки. Математическая модель свободных колебаний системы корпус-надстройка имеет вид:

[[К1] - СО2] [М1] + КО; + [С1] У2 [В11 +

+ {Х1} = 0(1)

Г ТТЛ

[К1] - статическая матрица жесткости ансамбля многоуровневых структур;

[М1] - матрица масс ансамбля;

[С11 - матрица неупругого конструкционного демпфирования;

[В1] - матрица аэродинамической жесткости; [D1] - матрица аэродинамического сопротивления; СО j - частота колебанииj-ro тона; V - скорость ветрового потока.

Однако примепснисэтнх методов в заводских у словиях сегодня невозможно, по ряду причин, главная из которых - отсутствие подготовленного для решения этого класса задач персонала, что, впрочем,неисклточаетпозможпостив будущем, особенно в условиях крупносерийного строительства, создание и эксплуатацию натуро-подобных математических моделей судна, в которых наряду с динамическими и прочностными параметрами будут учитываться и технологические.

Сегодня для успешного проведения частотных испытании надстроек и их палуб необходимы упрощенные расчетные методы, коюрые могуг быть применены в цеховых условиях. Перекрытия палуб обитаемых помещении надстроек, как правило, просты и ятя их расчетов пет необходимости разрабатывать специальные алгоритмы. Сложнее обстоит дело с самой надстройкой. Для определения значении основной частоты надстройки в целом и оценки влияния на эти значешшразличных конструктивныхитехнологических факторов был разработан аппарат приближенных формул. Эти формулы получены на основе энергетического метода и откорректированы с учетом экспериментальных данных. По своей структуре они близки к приближенным формулам, рекомендованным отраслевой методикой по расчетам вибрации палуб надстроек транспортных судов, однако отличаются от них более простой, а значит, и более приспособленной для использования в заводских условиях схемой расчета, и возможностью оценивать влияние некоторых технологических факторов, а также тем, что позволяютреализовать предельные переходы.

Для основного конструктивного ттша надстроексовремешплх танкеров (рис. 7) зависимость, позволяющая оценивать значение основной частоты надстройки в продольном направлении имеет следующий вид

Нз

Иг

Н,

Рис. 7. Основной конструктивный тип надстройки танкера

Мп

Мог

Ж

«п

Рис. 8. Схема расположения на ярусах надстройки больших сосредоточенных масс

о ^^^ -с <3

Рис. 9. Схема установки растяжки на двухблочной надстройке

А г

1 2 Г3

1С (-+ — +— )

»1 >2 »3

0.18

} у М + 7М2+ 19М3

(Га), (2)

где

¥г = Щ [м2], ¥2 = Н28 2 1м2Ь Г3 = Н38з И-

НМ| - высота, длина и масса первого блока надстройки [м, м, кг]

^2' ^2 " 1,ысота> длина и масса второго блока надстройки [м, . м, кг]

13, Н3, М3 - высота, длина и масса третьего блока надстройки [м. м, и]

§2' § 3 "оср^дпепныесуммарныетолншны продольных стенок и плоских продольных переборок первого, второго и третьего блоков надстройки [м, м, м]. в - моду:п, сдвига [Н/м2].

Если надстройка выполнена по двухблочной схеме, то в зависимости (2) принимается = 0,Мз = 0, если по одноблочной схеме

12 = 1з =о, м2 = м3 = 0.

Если па крышах ярусов надстройки расположены большие сосредоточенные массы (рис. 8), что в период постройки судна не редкость, то зависимость (2) приобретает вид:

-1

Г1 Р2 К3 с (—+—+Г")

(Гц), (3)

Ч ]2 Ь

М.+7М.+19М_+ ЗМ 12М0^27М03

где

Мд1 - масса, сосредоточенная на 1-м ярусе [кг]; Мд2 - масса, сосредоточенная на 2-м ярусе [кг]; Мдз - масса, сосредоточенная на 3-м ярусе [кг].

Эффективным средством повышенна значений основных, частот двухблочных надстроек является установка распорок (рис. 9). В этом случае зависимость (2) приобретает вид:

Р1 V Еррр Ь 2

с ( — +—) + П -Г— (т) Сое с1 1, К Ар 4 1 7

-I_I-:- (Гц), (4)

М^ 7М2

- число распорок,

1р, Рр, Ер - соответственно длина, площадь поперечного сечения и мод}'ль нормальной упругости распорки [м, м^, Н/м^], Ь - высота притыкания распорки [м], С( - угол наклона распорки.

Разумеется Ь и с(параметрически связаны, однако из методических соображений удобнее использовать их как независимые.

В случае, если лобовая стенка надстройки опирается не на поперечную переборку и при этом боковые ее стенки не оперты на продольные переборки, коэффициент 0,18 в формулах (2) - (4) заменяется на 0,14.

Приближенные з ависимости, как показывают сопоставительные расчеты и сравнения с экспериментами, обеспечивают при определении основной частоты надстройки точность 15 - 20%.

С использованием разработанных зависимостей были определены значения основных частот ряда судов, по которым имелись экспериментальные данные. Эти же надстройки рассчитывались с использованиемконечно-элементнойпрограммнойсистемы «Нева», созданной специалистами ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова специально для выполнения расчетов в обеспечение санитарных норм.

Результаты расчетов по приближенным зависимостям, сопоставляемые с экспериментальными данными расчетов с использованием МКЭ приведены в таблице 2. Там же приведены результаты расчетов по определению основной частоты надстройки танкера

«Пулково» пр. 15966. Основная частота надстройки 14,1 Гц превышает значение лопастной частоты на специфнканноином режиме движения 7,4 Гц более чем в 1,9 раза. У1розы резонансных колебании надстройки в пелом пет.

Таблица 2.

Значения основных частот надстроек транспортных судов

Название судна Экспериментальное значение основной частоты надстройки, Гц Расчетное значение основной частоты надстройки, Гц

Приближенные зависимости МКЭ

"Капитан Смирнев" 6.5 5 5 I 6.9

"Победа" 8 7.5 7.9

"Харитон Греку" 8.9 7.9 8.3

"Алексей Косыгин" 9.5 8.5 8,9

"Пулково" - 14.1 14.5

Нагашиенлиотсутствиерезонансныхколебашшявдяется.как уже отмечалось одним из основных факторов, определяющих уровни вибрации в обитаемых помещениях танкера. Не менее важным фактором является уровень возмущающих усилий, который в свою очередь, в значительной степени, определяется технологическими факторами.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СБОРКИ И СВАРКИ КОРМОВОЙ ОКОНЕЧНОСТИ КОРПУСА НА ВИБРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАЛОПРОВОДА

Одна из основных вибрационных, характеристик валопрово-да - частота свободных изгибныхколебаний - зависит от загруженности подшипников. Разгрузка того или иного подшипника косвенно увеличивает длину отдельных участков валопровода, что изменяет частоту свободных колебаний.

В результате отстройка от лопастной частоты или, иначе, запас по резонансу могут оказаться недостаточными, что вызовет резонансную вибрацию валопровода, усилит местную вибрацию днищевых перекрытий в районе его расположения и, как следствие, усилит вибрацию в помещениях надстройки.

Опыт свидетельствует, что разгрузка отдельных Подшипников валопровода, отцентрованного на стапеле, происходитна плаву вследствие изменения общего изгиба приобретенного корпусом на стапеле в процессе его сборки и сварки. Валопровод отжимается от нижних опорныхповерхностейвкладышейподшипников на величину масляного зазора. Изменение стрелки остаточного изгиба корпуса на плаву происходит вследствие изменения и перераспределения сварочных напряжений.

Прогнозирование величины стрелки общего остаточного изгиба корпуса на плаву его кормовой оконечности позволяет в процессе формирования корпуса придать дншцевым секциям обратный технологический дифферент (уклон) и таким образом исключить влияние остаточного изгиба на загрузку подшипников. Для определения остаточного изгиба можно использовать метод фиктивных сил от действия пр о до льных и поперечных пластических деформаций укорочения зон монтажных сварных соединений. Действие этих деформаций представляется эквивалентным действию некоторых сжимающих сил, называемых усадочными. Их величины определяются произведением остаточного объема укорочения сварного соединения на модуль упругости.

До введения этих сил в расчетную схему определения стрелки остаточного изгиба корпуса вычисляются моменты, которые эти силы образуют относительно нейтральной оси корпуса. Корпус судна формируется поэтапно. Для учета этого процесса прирасчете стрелки остаточного изгиба корпуса устанавливаются несколько промежуточных состояний корпуса, исходя из принятой технологи-

ческой последовательности его сборки п сварки из секций или блоков. Для каждого из этих состоянии определяю1ся значения жесткостных характеристик поперечных сечений корпуса и две составляющие момспюв усадочных сил, возникающих при сварке монтажных швов. Остаточный изгиб кормовой оконечности корпуса на стапеле определяется изгибом его килевой линии на стапельных опорах. Для определения остаточного изгиба килевой линии па стапеле решается система уравнении - равенств углов поворота общих сечений, смежных пролетов корпуса и равенств перемещений точек килевой лншш и прогибов опор поддействием усадочных сил, погонной нагрузки судна и реакции его опор. Остаточный изгиб килевой липни на плаву определяется изгибом нейтральной осп корпуса поддействием перераспределяющихся после спуска па воду усадочных сил, нагрузки судна и сил плавучести. При этом в усадочные* силы вносятся поправки, учитывающие напряженное состояние корпуса на плаву. Для определения остаточного изгиба используется дифференциальное уравнение изгиба корпуса па плану под действием указанных сил. Приращение стрелки остаточного изгиба на плаву определяется как разность ее значений на стапеле и на плаву.

Расчеты изгиба килевых линий (рис. 10) танкера пр. 15966 показали, что стрелка изгиба кормовой оконечности корпуса танкера па стапеле от сварочных усилий (усадочных сил) составляет в сечении кормовой дейдвудной опоры 10 мм, а па плаву увеличивается до 16,4 мм. Для танкера пр. 17120 эти значения составляют 7 мм п 12 мм соответственно.

Полученные результаты по остаточному изгибу килевой линии танкера свидетельствуют, что подшипники их валопровода могут разгружаться, так как величина масляного зазора в подшипниках значительно меньше стрелок остаточного изгиба корпуса в сечениях подшипников. В связи с этим возникает необходимость в оценке вибрационных характеристик валопровода для всех вариантов загрузки и разгрузки их подшипника с целыо выявления резонансной вибрации валопровода и принятия мер по ее предотвращению.

Для валопровода танкеров проектов 15966 и 17120 на основе изложенных положений в настоящей работе выполнены на ПЭВМ аналитические исследования вибрационных нагрузок на подшипники, нормальных напряжений в валах и частот свободных колеба-

Рис. IV . Кривые изгиба коииса танкера пр. 15956 :

- на сгаапеле (- без эчёта марочных нгпрякений 2-е т&пом оарочпшх напряжений! 3-оп с»арочник мапрпжемин ,

- на там 4 - без учёта егароинмх иаггрмликй 1 5-е ацбтом сМролных нзпряжлинй; 6-оч еммчвых нгтвхеним.

© — ® — этапы Фо**ию|а«иЧ юрмоеом оконечности гоикега . Д| — А* — опоры В&ктроьсяа

I IT III (ncpnoii, второй третьей). Общий ЛИЛ БаЛОПрОВОДОВ ПОКГГ!.'1П па jmic.II, результаты исследовании приведены в таблице 3. Из т аблицы видно, что хтя танкеров пр.15966 возможны пять вариантов раирузки подшипников, для танкеров пр. 17120 - дна варианта. По нормативам РД5.4307-79 коэффициент отстройки от резонанса должен быть равен пли больше 20% (см. формулу для в таблице 3).

II п а блицы видно, что для танкеров пр. 15966 по первой нанмень шеи частоте свободных, колебаний в вариантах 1, 2, 3 и 4^ > 20%.

В 5-м варианте не удовлетворяет этому условшо, что свидетельствует о возможности резонансной вибрации валопровода при остаточном изгибе килевой линии корпуса, разгружающем подшипники 2, 3 и 4. Для танкера пр.17120 в варианте 2условие^ > 20% не удовлетворяется. Однако в этом варианте X, =47 < и =83,7 , а \2=104 с-1 > ^ =47 с-1 < gy ^ с-^ а ^ = 104 с-1 > ы = 83)7 с-1.

Следовательно, при наборе оборотов с нуля до 200 об.мин, валопро-вод будет проходить зону резонансной вибрации, после чего вибрация прекратится, так как при нормальном числе оборотов, равном 200 об.мин, коэффициент X , вычисленный по второй частоте свободных колебаний, равен 24%.

Из таблицы также видно, что резонансная вибрация валопровода танкеров пр.! 7120 возможна и при загруженности подшипников 1 и 2. Коэффициенты [: гидродинамического усиления вычислены по прогибам, напряжениям в валах и нагрузкам на подшипники. Из таблицы видно, что для таш<ерапр.17120 в случае загруженности обоих подшипников эти коэффициенты недопустимо велики, так как имеет место резонансная вибрация. Для предотвращения возможной вибрации валопровода на танкерах пр. 15966 требуются технологаческнерешения, а длятанкеров пр. 17120 необходимо лишь конструктивное изменение схемы опнрания валопровода - удаление подшипника 2.

Влияние общего изгиба корпуса судна на вибрационные характеристики линии вала может быть снижено технологическими мерами при формир ованиикорпуса на построечном месте. Для этого секции его кормовой части должны устанавливаться с обратным технологическим дифферентом, компенсирующим ожидаемый изгиб. Таким образом, задача сводитсяк определению величины этого дифферента и оценки возможности его реализащш с требуемой точностью.

Величина технологического дифферента может быть получена на основашга расчетного определения ожидаемого остаточного изгибакилевой лшшикорпуса судна. Этотвопросрассмотренвыше.

al ПР. 153G5 (W^MOVi 61 пр. ("7(20 (1ААЧ001.

Результаты расчета вибрационных характеристик валопроводов танкеров

Таблица 3

Проект № п/п Расчетная схема СоОстосииыс частоты Коэффициент отстройки от резонанса Р,* Коэффициенты гидродинамического усиления

Л, Л2 Лз МШ-1

Танков проекта 159Б6 СО« 49 с 1 (117 об/мин) 1 С-г- I Лг Дз ¿>41 гд и 97 265 445 98 1.32 1.14 2.30

2 ( . 1 гл 96 249 403 96 1.33 1.14 2.30

.4' | 1

3 ( ' ' гд 93 164 253 90 1.35 1.15 2.51

4 1 I ' 1 ( 1 1 гд 71 178 250 45 1.81 1.81 4.66

к. ^ , 1

5 ' 1 1 С - 1 -11 ГЛ 42 105 216 14 1.85 4.93 5.40

V л< 1 | ' 1

Танкер проекта 17120 и=83,7с1 (200 об/мин) 1 С !| гд 88 191 480 5 11.4 13.6 12.8

\ Д, лг ¡1

2 Ьп—!-1: ГД 47 104 260 43 1.80 1.40 3.01

■С _ Л1-Сл) У из Л ПП ОПО/ С \_ п - число оборотов гребного вала Пии ^ Аи /о 20 г - число лопастей

Ниже основное внимание уделено возможностям практической реализации требований точности к технологическому дифференту при установке секций.

В общем случае расчеты точности формирования корпуса судна на построечном месте осуществляются на основе размерно-технологического анализа, который дает возможность определять количественные взаимосвязи между точностью изготовления секций и их монтажом на построечном месте. Поэтому в качестве научного аппарата исследования точности технологического дифферента использован размерно-технологический анализ.

Основу размерно-технологического анализа составляет расчет размерных цепей по корпусу судна.

Причинами возникновения отклонений размеров корпусных конструкций служат: погрешность формы и размеров деталей, узлов и секций корпуса судна, неточности оснастки для изготовления корпусных конструкций, метрологические погрешности при выполнении разметочно-проверочных работ, сварочные деформации, ошибки рабочих и другие. Как правило, эти погрешности проявляются случайно, так как являются результатом совокупного действия разнообразных, независимых друг от друга факторов. Следовательно, расчет размерных цепей можно производить вероятностным методом. В этом случае расчет производится по формуле для однородных цепей

(5)

8

где

- поле допуска размеров замыкающего звена размерной цепи;

- поле допуска I -го составляющего звена размерной цепи; I - коэффициент риска;

^ . - коэффициент относительного рассеивания 1 -го составля-

1 ющего звена размерной цепи; ГП - число звеньев размерной цепи, включая замыкающее.

Отклонения размеров корпусных конструкций, как показало статистическое исследование точности постройки судов различных типов на различных заводах, подчиняются в большинстве случаев нормальному закону распределения, при котором А= 1.9

тогда

1 = 1

Эта зависнмостьибылапринята в настоящем исследовании.

Из всех известных методов проектного расчета допусков на соответствующие звенья для настоящей задачи принят метод попыток.

Современное состояннематематическихметодов и вычислительной техники позволило применить для выполнения размерного анализа ПЭВМ. В этом случае было признано целесообразным использование прикладных программ по оргашпацин электронных т аблиц, что позволило использовать преимущества численного моделирования размерных связен по корпусу судна.

На основе этих положений были произведены непосредственные исследования точности формирования кормовой оконечности судна применительно к танкеру проекта 15966. Исходя из цели исследования в ходе размерно-технологического анализа составлялись н рассчитывались только размерные цепи, влияющие на положение секций относительно основной плоскости, то есть их положение по высоте и дифференту.

С учетом изложенного был выполнен размерно-технологический анализ точности монтажа дшппевых секций в кормовой части судна. На основании результатов этого анализа и данных расчета общего изгиба кормовой оконечности на рис. 12 показаны величины технологического дифферента и вероятностная точность его практической реализации.

Как следует из рисунка, возможные погрешности технологического дифферента достаточно существенны и для их уменьшения при необходимости должны применяться специальные меры. Эти меры сводятся к технически обоснованному ужесточению допусков на составляющиезвеньясоответствующихразмерщгхцепей; в крайнем случае допустимо некоторое увеличение коэффициента риска 1:.

w •fe.

0,5мм

Pite. 42. Точность технологического дифферента.

1 — обцмй иьгио корпэса ey^KSt

2 - технологический дич>Ферент__

3 - расчётное поле р»сееи8ания технологически дифферент».

Основные положении .диссертации, опубликованные в

работах:

1. Александров В .Л. «Борьба с ходовой внбраннен в процессе постройки танкера». Ж.Судостроение, N5-6, 1993г., стр.6-7.

2. Александров B.JL. Давыдов В.Г., Ларин Б.В. «Развитие предприятии «Амнралюискпс верфи» в программе возрождения Российского флота». Ж.Судостросппс, N12, ¡993г., стр.16-1-167.

3. Александров В.Л. «Влияниетехнологических факторов на вибрацию конструкции корпуса». Сборник трудов НТО им.акад.А.Н.Крылова, N23, 1993г., стр.4-5

4. Александров В.Л., Матлах А.П., Поляков В.П. «Приближенная опенка значения основной частоты надстройки танкера в процессе его постройки». Сборник трудов НТО им.акад.А.Н.Крылова, N23, 1993г., стр.5-11.

5. Александров В.Л., Антонов В.М., Давыдов В.Г. «Оптимизация т смю.тогпческих параметров центровки валопроводов с учетом деформации корпуса». Сборник трудов НТО им.акад.А.Н.Крылова. N23. 1993] ., стр'П-17.

6. Александров В.Л., Адтерштспи Л.Ц. и др. «Точность судового корпусостроення». Л., Судостроение, 1994г., 10 п.л. (принято к печати)