автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Модульный метод формирования монтажного блока машинного отделения малых судов

ПИЛЬГУЙ ВАЛЕРИЙ ДМИТРИЕВИЧ

МОДУЛЬНЫЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ МОНТАЖНОГО БЛОКА МАШИННОГО ОТДЕЛЕНИЯ МАЛЫХ СУДОВ

Специальность: 05.08.03 — проектирование и конструкция судов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПИЛЬГУЙ ВАЛЕРИЙ ДМИТРИЕВИЧ

МОДУЛЬНЫЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ МОНТАЖНОГО БЛОКА МАШИННОГО ОТДЕЛЕНИЯ МАЛЫХ СУДОВ

Специальность: 05.08.03 — проектирование и конструкция судов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете

Научный руководитель — кандидат технических наук,

профессор И.М. Чибиряк

Консультант — кандидат технических наук,

доцент Г.П. Шемендюк

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор H.A. Тарануха

— доктор технических наук, профессор А. И. Самсонов

Ведущая организация — Приморское центральное

конструкторское бюро

Защита диссертации состоится « /7 »QekObJtä 1998 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 064.01.01 Дальневосточного государственного технического университета по адресу: 690600, Владивосток, ул. Пушкинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГТУ. Автореферат разослан «_ /С » /¿Cj*-£/>Jt 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

АЛ\Л\Г\" И.М. Чибиряк

ОШ-Обо.ш-б^о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Применение агрегатного метода монтажа механического оборудования позволило значительно сократить цикл монтажных работ и снизить их стоимость. В настоящее время с судна в цех удается перенести до 60% объема монтажных работ, что создает возможность выполнения монтажа индустриальными методами.

Дальнейшее увеличение объема агрегатирования связано с укрупнением монтажных блоков и включением в их состав главного двигателя, замыкающего на себе до 20% связей машинного отделения. Включение главного двигателя в состав монтажных блоков обеспечивает, кроме того, их функциональную завершенность с перспективой преобразования в модули машинного отделения, которые можно поставлять но кооперации на судостроительные и судоремонтные предприятия. Энергетические установки, изготавливаемые в виде таких модулей обеспечат также ремонтопригодность судна при эксплуатации в условиях мелких мастерских рыболовецких хозяйств.

Вместе с тем укрупнение монтажных блоков приводит к увеличению массогабаритных характеристик их несущих конструкций. Малые же суда отличаются высокой затесненностыо машинных отделений и чувствительностью к дополнительной массе, поэтому в состав несущей конструкции следует включать штатные корпусные конструкции и, прежде всего, судовые фундаменты под главные и вспомогательные механизмы, что позволяет кроме всего прочего выполнять в цехе окончательную обработку их опорных поверхностен под лапы механизмов, обеспечивая тем самым снижение трудоемкости обработки за счет выноса пригоночных работ со стапеля в специализированные условия цеха. 2. Заказ 2466

Сборка указанных монтажных блоков должна выполняться окончательно па стенде в цехе и не должна нарушаться в процессе их транспортировки и закрепления на судне. В связи с этим должна быть разработана новая конструкция крепления фундаментов к корпусу судна, обеспечивающая прилегание опорных поверхностен фундаментов к лапам механизмов после выполнения всех работ но установке и закреплению монтажного блока на судне.

В процессе установки монтажного блока на судне необходимо ось вала главного двигателя совмещать с осыо судового валопровода, поэтому закрепление не должно также вызывать расцептровку главного двигателя.

Так как установка монтажного блока по оси судового валопровода выполняется окончательно в цехе, необходимо предотвратить дальнейшие прогибы днищевого перекрытия, которые могут вызвать расцептровку главного двигателя и, кроме того, привести к нарушению прилегания опорных поверхностей. Поэтому необходимо провести исследование формы прогиба, которую принимает дшпцевое перекрытие при установке монтажного блока большой массы.

Решение данных вопросов представляется актуальным, обеспечивающим применение модулыю-агрегатного метода при постройке малых судов, для которых неприемлемы существующие схемы, применяемые в настоящее время при постройке судов модульно-агре-гатным методом.

Целью исследования является научное обоснование и разработка модульного принципа формирования монтажных блоков с главным двигателем па малых судах, обеспечивающего:

— установку главного двигателя по оси судового валопровода окончательно в цехе;

— возможность закрепления монтажных блоков в труднодоступных местах машинного отделения;

— сохранение стендовой сборки механизмов между собой и с фундаментами при транспортировке и установке монтажных блоков на судне.

Научная новизна

В обеспечение модульного метода формирования монтажного блока с главным двигателем выполнены исследования формы прогиба, которую принимает днищевое перекрытие при установке монтажного блока большой массы. Прогибы днищевых перекрытий исследованы путем численного анализа напряженно-деформированного состояния с помощью метода конечных элементов. Для построения кривой, аппроксимирующей килевую линию машинного отделения малых судов, получена простая математическая форма связи между прогибами и размерами элементов конструкции днищевого перекрытия. Полученная математическая зависимость определяет характер изменения кривизны килевой линии для носовых и "для кормовых ветвей (соответственно в нос и в корму от середины длины днищевого перекрытия). Зависимость учитывает также смещение вершины килевой линии от середины длины днищевого перекрытия, обусловливаемое несимметричным расположением главного двигателя по длине машинного отделения.

Для практических целей, на основании полученной зависимости, обоснована и разработана простая и удобная в обращении методика, позволяющая па основе известных приближенных методов расчета днищевых перекрытий определять ожидаемые отклонения оси вала главного двигателя относительно осп судового валопровода. По величине ожидаемых отклонении, обусловливающих расцснтровку главного V

двигателя, определяется величина вводимого расчетного монтажного прогиба днищевого перекрытия.

В обеспечение закрепления штатных судовых фундаментов к корпусу судна при модульном методе формирования монтажного блока с главным двигателем спроектирована принципиально ' новая конструкция узла крепления фундаментов на основе полимерных материалов, исследованы предельные значения прочности, жест-костные и вибрационные характеристики данной конструкции (разработанная конструкция узла крепления фундамента защищена авторским свидетельством СССР на изобретение ЛЬ 1689201 и патентом РФ на изобретение № 2102276).

В обеспечение транспортировки и установки монтажного блока в машинное отделение при модульном методе его формирования разработаны способы транспортировки, установки и закрепления монтажных блоков совместно и раздельно с фундаментами (на способы получены авторские свидетельства СССР на изобретения №№ 1414705, 1691215, 1712241, 1796531).

Практическая ценность и реализация работы

Разработанный метод формирования машинного отделения малых судов обеспечивает значительный эффект за счет выноса со стапеля в цех мехапомонтажпых и трубопроводных работ, а также работ по пригонке опорных поверхностей фундаментов к лапам механизмов. Разработанный метод формирования машинного отделения применен при постройке серии малых рыбопромысловых судов проекта 1338 на Благовещенском судостроительном заводе. При этом трудоемкость и продолжительность изготовления машинного отделения уменьшилась на 50%, обеспечена ремонтопригодность машинного отделения, созданы условия для испытания механизмов и систем на стенде в цехе.

Разработан способ закрепления фундаментов монтажных блоков на основе полимеров ЛГКИ-3103-560-91. Опытно-штатная конструкция узла с применением полимера внедрена на одном из строящихся судов проекта 1338.

Достоверность полученных результатов

При исследованиях использован аппарат строительной механики корабля; при расчете днищевых перекрытии проектов малых судов использован метод конечных элементов; достоверность полученных результатов подтверждена лабораторными испытаниями и натурным экспериментом. Экспериментальные и лабораторные измерения выполнены стандартными техническими средствами. Обработка результатов .экспериментальных работ выполнена с привлечением метода математической статистики.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и одобрены на семинаре "Модульпо-агрсгатныи метод постройки малотоннажных судов" (г. Хабаровск, ноябрь 1981 г.), на X Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы совершенствования технологии и механизации судостроительного производства" (г. Калининград, октябрь 1983г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Малотоннажное судостроение — 87" (г. Николаев, сентябрь 1987г.), на XVI научно-технической конференции "Очередные задачи речного судостроения" (г. Горький, март 1988 г.), па научно-техническом семинаре "Краткие итоги технического прогресса и задачи инженерно-технической общественности но разработке и реализации комплексных программ научно-технического прогресса па 1991-1995 годы" (г. Хабаровск, сентябрь 1990 г.), на XII Всесоюзной научно-технической конференции 3. Заказ 2466

"Повышение технического уровня судостроительного производства в XIII пятилетке (г. Николаев, октябрь 1990 г.).

Автор защищает:

1. Основные положения модульного принципа формирования монтажных блоков с главным двигателем на малых судах.

2. Внедренный в производство модульный метод формирования монтажного блока с главным двигателем, в обеспечение которого:

— получена функциональная зависимость для построения кривой, аппроксимирующей килевую линию днищевых перекрытий малых судов;

— разработана методика расчета ожидаемых отклонений оси вала главного двигателя относительно оси валопровода судна.

3. Способ закрепления фундаментов па основе разработанного узла крепления, имеющего характеристики полученные расчетным путем и в результате лабораторных испытаний.

4. Практически реализованный способ установки монтажного блока с главным двигателем и закрепления на судне на основе полимерного материала.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 76 наименований и приложений из 9 наименований.

Работа изложена па 115 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 13 таблиц, плюс таблицы приложений.

СОДЕРЖАНИЕ

РАБОТЫ

В первой главе диссертации из анализа современного состояния модульного метода постройки и особенностей малых судов сформулированы основные положения модульного принципа формирования машинного отделения малых судов единым монтажным блоком включающим главный двигатель, являющиеся важнейшими выводами, полученными в диссертации.

Несмотря на то, что модульно-агрегатный метод проектирования и постройки судов получил довольно широкое развитие в отрасли (около 40% объема монтажных работ производится в цехах, трудоемкость этих работ снижена на 15-20%), в малом судостроении показатели, достигнутые по этому методу значительно ниже. Как показал анализ, схемы, используемые при постройке средних и крупных судов модульным методом, неприменимы для малых судов. Нерегулярность обводов корпуса малых судов не позволяет использовать модульный принцип в части корпусных конструкций, поэтому на этих судах основным направлением развития модульно-агрегатпого метода является создание модулей механического оборудования. Учитывая, что наибольший эффект достигается при использовании наиболее крупных сборочных единиц, в модули необходимо включать максимальное количество технических средств. При этом машинное отделение малых судов целесообразно изготавливать единым монтажным блоком, включающим все технические средства, в том числе и главный двигатель.

В настоящее время па судовые энергетические установки приходится до 30-35% первоначальных и до 30-40% текущих затрат по судну, поэтому включение главного двигателя, обеспечивая функциональную завершенность монтажного блока и в перспективе прсобразо-

3»

ванне его в унифицированную дли ряда проектов сборочную единицу, позволит существенно снизить эти затраты.

Однако ни в отечественном, ни в зарубежном судостроении работы но созданию единого монтажного блока, который включал бы все технические средства машинного отделения, в том числе и главный двигатель, не проводились.

Традиционные методы предусматривают выполнять центровку и закрепление главного двигателя после того, как все тяжеловесные механизмы погружены в корпус судна на штатные места. Однако, монтаж главных энергетических комплексов в составе крупных сборочно-монтажных единиц, в том числе н в составе единого монтажного блока, должен выполняться окончательно па стапеле.

В связи с этим необходимо знать ожидаемые прогибы днищевого перекрытия и предполагаемое положение оси вала главного двигателя.

В настоящее время для предварительной оценки ожидаемых прогибов днищевого перекрытия используются методы, в основу которых положены либо экспериментальные наблюдения, либо расчетные методики. Наибольший интерес представляют расчетные методы, дающие более точные результаты.

Вместе с тем известные из курса строительной механики корабля расчетные методы позволяют получить ценой довольно трудоемких вычислении точное решение типовых, схематизированных конструкций, лишь приближенно отражающих свойства реальных днищевых перекрытий.

При расчете сложных перекрытий наиболее приемлемым является метод конечных элементов, однако ;ия практических целей необходима простая п удобная в обращении методика, позволяющая предприятиям-строителям малых судов обойтись собственными силами, без трудоёмких

операций по подготовке исходных данных и их интерпретации.

В результате наиболее целесообразными оказываются приближенные методы расчета днищевых перекрытий, позволяющие быстро, хотя и приближенно, определить ожидаемые прогибы. К числу таких методов относятся метод подбора нагрузки перекрестных связей, метод Ростовцева, метод Курдюмова-Резницкого, основанный на разложении упругой линии перекрестных связей по формам свободных колебаний призматических балок.

Однако для определения ожидаемых прогибов указанными методами необходимо разработать способ определения несимметричного прогиба при действии на перекрытие сосредоточенной силы, так как излом оси вала главного двигателя относительно оси судового валопровода зависит прежде всего от характера кривизны килевой линии. Таким образом, введение расчетного монтажного прогиба днищевого перекрытия позволит выполнять окончательную установку главного двигателя в составе монтажных блоков большой массы. При этом должны предусматриваться бссприварные способы закрепления монтажного блока к корпусу судна для сохранения стендовой сборки механизмов и прилегания опорных поверхностей.

Исходя из этих требований сформулированы цели и задачи необходимых исследований и разработок, направленных па решение вопроса об обосновании модульного принципа формирования монтажных блоков с главным двигателем на малых судах.

Во второй главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований формы днищевого перекрытия малых судов при установке на это перекрытие монтажного блока с главным двигателем. 4. Заказ 2466

Теоретические исследования произведены на основе статистических данных о прогибах в узлах пересечения набора, полученных при расчете днищевых перекрытии девяти проектов малых судов методом КЭ.

В результате установлено, что характер изменения кривизны килевой линии днищевых перекрытий определяется зависимостью (рнс.1):

расположенного посередине

длины днищевого перекрытия (Ь)\ Рис.1

Ь' = Ц для носовой или — -4 для кормовой ветвей килевой линии.

Зависимость (1), при а = Ь' — х и Ь = х - А может быть записана в виде:

а" + Ът

(2)

где величины "а" и "6" определяются по рис 2.

Ь а

Рис.2

Числовые значения параметров "п" и "т" определяются но формулам (3) и (4), полученным в результате расчета методом наименьших квадратов (см. Приложения 2 и 3 диссертации):

для длинных ветвей килевых линии

0,784(| + Л)

пдг = --

' ,0,007 1-0,211

1дл адл

(3)

0,66$ + Л)0-' '"ал =---

0,093 --0,173 дл адл

для коротких ветвей килевых линии

0,637$ + А)ааэо

а =---

',ор ,0,049 ,0,9УО

1к<у> акор

0,789$ + Л)"'и т,.п ------

(4)

"ор ,0,002 ,0,058

'тор ;,-ор

В данных формулах /()л(/,;о/)), с/,7л) — соответственно длина балок главного направления н расстояние между стрингерами в среднем сечении (па расстоянии 0,25£ от переборок) носовой или кормовой части днищевого перекрытия машинного отделения, имеющей длинную (короткую) ветвь килевой линии.

Выражение для вычисления величины смещения вершины килевой линии (А) можно получить рассматривая днищевое перекрытие в 4*

районе диаметральной плоскости как балку жестко закрепленную обоими концами и нагруженную сосредоточенной силой. Сосредоточенной силой, действующей в поперечном сечении килевой линии и обусловливающей несимметричность её прогиба является вес главного двигателя. Таким обратом, для определения смещения получено выражение

А=ВЬ-2с) Ь + 2с

где с — расстояние, измеряемое от центра тяжести главного двигателя до ближайшей переборки.

Формула (1) даёт значения прогибов в долях от наибольшей стрелки прогиба, равной единице. Для определения действительных прогибов необходимо формулу (1) умножить на наибольшую действительную стрелку прогиба.

Поскольку метод конечных элементов даст достаточно точное решение, достоверность формулы (1) оценивалась путем сравнения единичных прогибов, вычисленных но этой формуле со значениями, полученными при расчете методом конечных элементов при стрелке прогиба равной единице. Абсолютная квадратичная ошибка составила 0,034.

Для практического подтверждения работоспособности формулы (1), а также определения причин, вызывающих появление зазоров между опорными поверхностями лап главного двигателя и фундамента, был проведен натурный эксперимент при установке головного монтажного блока машинного отделения на серийном судне пр. 1338 строящемся на Благовещенском судостроительном заводе. В монтажный блок скомпоновано 100% механизмов и оборудования машинного

отделения включая главный двигатель, 96% трубопроводов и арматуры, все вкладные цистерны. ¡Монтажный блок сформирован па несущей конструкции типа "рама-каркас", в которую включены штатные судовые фундаменты.

Натурный эксперимент показал, что при транспортировке монл'ажиого блока происходит денланацня опорных поверхностей фундаментов, входящих в состав несущей конструкции монтажного блока, в результате чего нарушается их стендовая сборка с лапами механизмов. Таким образом, при транспортировке фундаментов необходимо снимать с них тяжеловесные механизмы.

После погрузки монтажного блока на днище определены прогибы килевой линии корпуса и зазоры между опорными поверхностями главного двигателя и фундамента. Полученные результаты подтвердили работоспособность формулы (1) и определяющее влияние расположения главного двигателя по длине машинного отделения па смещение вершины кнлевой линии. Возникающие в результате совместного изгиба фундамента и днищевого перекрытия зазоры между опорными поверхностями превысили допускаемые значения в три раза. В связи с этим до установки монтажного блока в машинное отделение днищевому перекрытию необходимо задавать ожидаемый прогиб. Форма прогиба килевой линии определяется уравнением

&(х) = <9m.,x;/(.u) , (6)

где у (.г) — единичный (относительный) прогиб, определяемый по формуле (1).

В процессе закрепления монтажного блока на судне с помощью сварки определены отклонения килевой линии корпуса и зазоры меж-

ду опорными поверхностями главного двигателя н фундамента. Отклонения килевой линии корпуса но высоте определены с помощью индикаторов часового типа, закрепленных на реперных стопках. Разрешающая способность индикаторов 0,01 мм. Зазоры между опорными поверхностями фундаментов и механизмов измерены щупом по всему периметру клиньев при пезатлнутых болтах.

Прогибы килевой линии от сварки оказались сопоставимыми с прогибами, возникающими при установке на днище монтажного блока, а зазоры между опорными поверхностями превысили допускаемую величину в пять раз. Следовательно, конструкция крепления фундамента к корпусу судна должна быть бесприварпой.

В связи с этим был разработан новый узел крепления, определены предельные значения его параметров прочности, жесткости и вибрации.

В третьей главе представлены результаты исследования работоспособности разработанного беенриварного узла крепления фундамента главного двигателя, полученные расчетным путем и при испытании экспериментальных образцов в лабораторных условиях, приведена методика сборки экспериментальных образцов и статистическая обработка результатов испытаний.

Разработанный узел на основе полимера (рис.3, рис.4) внедрен в проектирование и установку фундамента иод высокооборотный главный двигатель 6ЧСП15/18 (заводской индекс ЗД6) па матом рыболовном сейнере при его серийной постройке па Благовещенском судостроительном заводе. Конструкция разработанного узла крепления защищена авторским свидетельством и патентом на изобретения.

Рис.3. Узел крепления на основе полимера

1 - нижняя часть узла; 2 - контейнер с полимером; 3 - хвостовик фундамента; 4 - верхняя часть узла; 5 - набор корпуса судна.

Рис. 4. Поперечное сечение узла крепления

1 - нижняя часть узла; 2 - контейнер для полимера; 3 - хвостовик фундамента; 4 - верхняя часть узла; 5 - набор корпуса судна; 6 - полимер; 7 - зазор.

В качестве основного параметра прочности принята величина усилия разрушения рассматриваемого узла (полимерного наполнителя) при растяжении, равная 42,42 кН. Для сравнения с полученным значением прочности определены расчетные нагрузки, действующие в процессе эксплуатации судна на узлы при наиболее неблагоприятном сочетании всех составляющих сил. Наибольшая расчетная нагрузка на сжатие составляет 54,84 кН, па растяжение — 30,53 кН.

В состав полимерного материала экспериментальных образцов были включены компоненты: смола эпоксидная ЭД-20, дибутилфталат ДБФ (пластификатор), полиэтилепнолиамин (отвердитель), кварц молотый пылевидный (наполнитель). При испытании экспериментальных образцов определены пределы прочности узлов крепления на растяжение: от 71 до 83 кН с относительной ошибкой, равной 8%.

Экспериментальные исследования образцов узлов крепления на растяжение статической нагрузкой выполнялись на испытательной машине ZD-40. Испытания образцов узлов крепления переменной нагрузкой выполнены па усталостной машине типа ZDM-10 Pu.

Достоверность результатов расчета и экспериментальных испытаний подтверждена успешной эксплуатацией промышленного судна с модернизированным закреплением фундамента.

В четвертой главе на основании полученных результатов исследований изложены основные положения модульного принципа формирования монтажного блока с главным двигателем па малых судах, обоснована и разработана необходимая для этого несущая конструкция, получены выражения для определения излома и смещения оси вала главного двигателя, устанавливаемого в составе монтажного блока.

Из анализа массогабарнтных характеристик применяемых в настоящее время несущих конструкций и механического оборудования монтажных блоков машинных отделений малых судов определен максимально возможный объём агрегатирования механического оборудования, равный 67%. Разработанная несущая конструкция (по а.с. № 1414705), удаляемая из корпуса судна после установки монтажного блока, позволяет увеличить объём агрегатирования механического оборудования до 100% и изготавливать машинное отделение единым монтажным блоком.

Разработан достаточно простой и удобный в обращении метод определения положения оси вала главного двигателя относительно оси валоировода судна, учитывающий несимметричность прогиба днищевого перекрытия при установке па него монтажного блока с главным двигателем, согласно которому излом оси вала главного двигателя определяется по формуле

ИчМ-К]

<р =-1-(7)

Смещение оси вала главного двигателя относительно носовой мишени, установленной по плазовым координатам теоретической оси валоировода определяется по выражению:

(8)

В формулах (7) и (8) : 19" — прогиб килевой лишш в ссчеиил проходящем через передние

крепёжные болты; 3'1. — то же в сечении, проходящем через задние крепёжные болты; S2 — расстояние между7 передними и задними крепёжными болтами; S:, — отстояние задних крепёжных болтов двигателя от носовой мишени (кормовой переборки машинного отделения);

9" = ^^ 9". — прогиб стрингера в сечении, проходящем через И 7«)

передние крепёжные болты;

ПК И7г) ПК

¿>г =-Эк — то же в сечении, проходящем через задние кре-

к)

нежные болты;

' 2У4ЕГ

y/(rjc),ц/(rjf.) — вспомогательные функции для расчета балок на сплошном упругом основании дня стрингера и средней перекрестной связи.

Значения 3". и <9','. при известной стрелке прогиба днищевого перекрытия определяются по формуле (1).

Полученными результатами обоснована возможность окончательной установки главного двигателя в составе монтажного блока большой массы, на основании чего разработан модульный принцип формирования монтажного блока с главным двигателем по которому все технические средства машинного отделения, в том числе механизмы, включая главный двигатель, оборудование, трубопроводы, арматуру, электроаппаратуру и электрокабель, а также штатные судовые фундаменты объединяют в цехе в единый монтажный блок (мопо-

блок), который затем доставляют и устанавливают в машинное отделение но частям: сначала устанавливают фундаменты, затем доставляют и устанавливают монтажный блок.

Основные положения модульного принципа, разработанные автором, заключаются в следующем:

1. Формирование монтажного блока выполняют в цехе на штатных судовых фундаментах па стенде, имитирующем корпус машинного отделения судна. При этом: механическое оборудование подвешивают к жесткой несущей раме или крепят к устройству (а.с. 1414705), которое затем используется в качестве транспортировочной конструкции для погрузки монтажного блока в машинное отделение, фундаменты связывают между собой в единую опорную конструкцию, на которой наносят следы оси вала главного двигателя (а.с. 1712241).

2. Фундаменты, связанные в единую конструкцию, устанавливают па судне, совмещая следы оси вала главного двигателя с осью судового валопровода (а.с. 1691215).

3. Закрепляют фундаменты к корпусу судна узлами с применением полимера. Конструкция узлов разработана и внедрена автором па серийном судне (а.с. 1689201 и патент 2102276). Применение разработанных бесириварпых узлов крепления позволяет предотвратить деформации опорных поверхностей фундаментов и сохранить, тем самым, их стендовую сборку с механизмами, компенсировать неточность изготовления фундаментов, снизить вибрацию и шум в машинном отделении при эксплуатации судна, обеспечить ремонтопригодность монтажного блока.

4. Закрепление фундаментов производят к днищевому перекрытию, которому с помощью домкратов придают форму прогиба, которую оно должно принять после погрузки и установки на

него монтажного блока. Ожидаемая форма прогиба определяется по методике, разработанной автором. Это позволяет сохранить положение фундаментов относительно оси судового валопровода и обеспечить тем самым центровку главного двигателя в составе монтажного блока.

5. Для закрепления монтажного блока в машинном отделении применяют узлы крепления механизмов к фундаментам (а.с. 1796531), позволяющие сократить трудоёмкость мехаио-монтажных работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обоснование модульного принципа формирования монтажного блока с главным двигателем выполнено в развитие модульно-агрегатного метода проектирования и постройки малых судов, для которых этот метод не может быть применен в том виде, как он применяется в настоящее время. Применение разработанного принципа даёт тем больший эффект, чем больше машинное отделение насыщено техническими средствами, трудоёмкость монтажа которых на судне в труднодоступных местах чрезвычайно высока.

Получены следующие основные результаты, определяющие научную новизну работы, сё практическую ценность и являющиеся предметом защиты.

1. На основании всестороннего анализа применяемых в настоящее время схем формирования механического оборудования мо-дульпо-агрегатным методом и особенностей малых судов, сформулированы принципиальные положения метода формирования монтажного блока с главным двигателем в машинном отделении малых судов.

2. Теоретическими исследованиями, выполненными на основе статистических данных о прогибах днищевых перекрытий малых судов

решена задача об определении формы прогиба килевой линии (форма прогибов определяется, как функция размеров элементов конструкции днищевого перекрытия; в выражении для определения прогибов учитывается смещение вершины килевой липни; прогибы являются единичными).

В результате проведения натурного эксперимента получено подтверждение правильности теоретических исследований, доказана возможность формирования машинного отделения единым монтажным блоком, включающим главный двигатель.

3. Исследованы предельные значения прочности, жесткостиые и вибрационные характеристики узла крепления фундамента к корпусу судна с применением полимера. Выполнены экспериментальные исследования образцов узла крепления на растяжение статической нагрузкой и усталостные испытания при изгибе образцов знакопеременной нагрузкой (симметричный изгиб). Опытно-штатная конструкция разработанного узла крепления применена при установке фундамента главного двигателя на одном из серийных судов. В процессе эксплуатации выявлены демпфирующие свойства узла крепления, обеспечивающие снижение уровня шума в помещении машинного отделения.

4. На основании полученных результатов исследований разработан модульный принцип формирования монтажного блока с главным двигателем на малых судах. Обоснована и разработана необходимая для этого несущая конструкция. Предложена инженерная методика для оперативного определения излома и смещения оси вала главного двигателя, устанавливаемого в составе монтажного блока. Излом и смеще-нне определяются по форме прогиба днищевого перекрытия машинио-го отделения. При формировании машинного отделения малых судов единым монтажным блоком обеспечивается сокращение трудоемкости и продолжительности его изготовления не менее чем в два раза.

По материалам работы опубликовано:

1. Пильгуй В.Д., Спкорепко Н.П. Особенности использования судовых фундаментов в качестве несущих конструкций монтажных блоков//Малотопнажпое судостроение: Сб. науч. тр. — Николаев, НКИ, 1988. - С.116-119.

2. Пильгуи В.Д., Спкорепко Н.П. Создание моноблока машинного отделения малых судов//Судостроепие. — 1989. — № 9. — С. 3940.

3. Пильгуи В.Д., Спкорепко Н.П. Постройка малых судов модульио-агрегатным методом на предприятиях Дальнего Востока и Восточной Спбири//Повышенне технического уровня судостроительного производства в XIII пятилетке: Тезисы док/адов Всесоюзной научно-технической конференции. — Л., "Судостроение", 1990.— С. 127-129.

4. Пильгуи В.Д. Опытное внедрение технологии установки на пластмассе фундамента главного двигатсля//Судостроснис. — 1997. № 6. - С. 59-61.

5. Пильгуи В.Д. Способ установки фундамента иод судовой дизель с применением узлов крепления на пластмассс//Актуальные проблемы создания, проектирования п эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания: Сб. науч. трудов — Хабаровск, ХГТУ, 1998.

6. A.c. 1414705 СССР, МКИ В63 В 9/00. Устройство для установки сборочпо-моптажных единиц в судовое помещение/В.Д.Пильгуй (СССР). - № 4104152/40-11; Заявлено 12.08.86; Опубл. 07.08.88, Бюл. № 29.

7. A.c. 1691215 СССР, МКИ В 63 В 9/00. Способ монтажа главного двигателя на судне/В.Д.Пильгуй (СССР). — № 4628313/11; Заявлено 28.12.88; Опубл. 15.11.91, Бюл.ДЪ 42.

8. A.c. 1712241 СССР, МКИ В 63 В 9/00, 9/06. Способ формирования блока машинного отделения судна / В. Д. Пильгуй (СССР). - № 4813531/11; Заявлено 10.04.90; Опубл. 15.02.92, Бюл. № 6.

9. A.c. 1796531 СССР, МКИ В 63 В 3/70. Узел крепления механизма на фундаменте / В. Д. Пильгуй и В. М. Филатов (СССР). — № 4908050/11; Заявлено 06.02.91; Опубл. 23.02.93, Бюл. № 7.

10.Патент 2102276 РФ, МПК 6 В 63 В 9/00, 3/08. Узел соединения сборочно-монтажной единицы с корпусной конструкцией судна / В.Д. Пильгуй (РФ). - № 95102949/28; Заявлено 27.02.95; Опубл.20.01.98 г., Бюл. № 2.

/ к/

Дальневосточный Государственный технический университет

На правах рукописи УДК 629.52.01

ПИЛЬГУЙ ВАЛЕРИЙ ДМИТРИЕВИЧ

МОДУЛЬНЫЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ МОНТАЖНОГО БЛОКА МАШИННОГО ОТДЕЛЕНИЯ МАЛЫХ СУДОВ

05.08.03 — Проектирование и конструкция су до

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук,

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор И. М. ЧИБИРЯК.

Владивосток

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................4

Глава 1. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ НА МАЛЫХ СУДАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДУЛЬНОГО ПРИНЦИПА..........................5

1.1. Основные направления развития агрегатирования механического оборудования на малых судах......................................5

Г2. Анализ возможности внедрения модульного принципа при

проектировании машинного отделения малых судов................10

1.3. Анализ допускаемых отклонений формы корпуса и оси

главного двигателя на малых судах........................................16

Выводы и задачи исследования....................................................21

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ДНИЩЕВОГО ПЕРЕКРЫТИЯ ПРИ УСТАНОВКЕ МОНТАЖНОГО БЛОКА С ГЛАВНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ НА МАЛЫХ

СУДАХ...................................................................22

2.1. Численный анализ прогибов килевой линии днищевых перекрытий машинных отделений малых судов......................22

2.2. Натурный эксперимент по определению формы килевой линии и положения опорных поверхностей фундамента главного двигателя..........................................................52

Выводы..........................................................................................62

Глава 3. РАЗРАБОТКА НОВЫХ УЗЛОВ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТА ГЛАВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ МОДУЛЬНОМ ФОРМИРОВАНИИ МАШИННОГО ОТДЕЛЕНИЯ НА МАЛЫХ СУДАХ...............................................................63

3.1. Расчет прочности узлов крепления фундамента главного двигателя.................................................................................63

3.2. Лабораторные испытания образцов узлов крепления на основе полимера.................................................................76

Выводы..........................................................................................93

Глава 4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОДУЛЬНЫХ ПРИНЦИПОВ ФОРМИРОВАНИЯ МОНТАЖНОГО БЛОКА С ГЛАВНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ НА МАЛЫХ СУДАХ.............95

4.1. Обоснование массогабаритных характеристик несущей конструкции монтажного блока и составляющих её частей............95

4.2. Определение положения оси вала главного двигателя, установленного в составе монтажного блока...............................100

4.3. Модульный принцип сборки и установки на судне монтажного блока с главным двигателем.........................................104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................107

Список использованной литературы...........................................111

Приложения.....................................................отдельная брошюра

Введение

Одной из важнейших научно-технических задач, стоящих сегодня перед отечественной судостроительной отраслью, является разработка конструктивно-технологических решений, позволяющих обеспечить при максимальном выпуске судов быстрое и гибкое реагирование на конъюнктурные изменения потребности в судах различного назначения. Приоритетным в этой области является модульный принцип, заключающийся в комплектовании судов различного архитектурно-конструктивного типа из унифицированных сборочных единиц.

Эффективность создания таких судов, прежде всего малотоннажных, в значительной мере определяется унификацией их энергетических установок, на которые приходится до 30% первоначальных и до 40% текущих затрат по судну.

Модульность как система постройки, базирующаяся на стандартизации, обеспечивает максимальный эффект на уровне наиболее крупных сборочных единиц, в данном случае блоков судна. Однако, для малых судов, отличающихся нерегулярностью общего распо-ложения и не имеющих, как правило, цилиндрической вставки, модульный принцип с использованием крупных блоков судна, в части корпусных конструкций в полном функциональном понимании не осуществим.

Поэтому модульная постройка малых судов предполагает создание крупных блоков механического оборудования, функциональная завершенность которых обеспечивается включением в их состав главного двигателя, замыкающего на себе до 20% связей машинного отделения.

При установке таких сборочных единиц на судне необходимо обеспечить центровку главного двигателя по оси валопровода судна и сохранение стендовой сборки механизмов.

Глава 1. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА МАЛЫХ СУДАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДУЛЬНОГО ПРИНЦИПА

1.1. Основные направления развития агрегатирования механического оборудования на малых судах.

Разработка и применение агрегатного метода монтажа механического оборудования в судостроении относятся к концу 50-х, началу 60-х годов. В настоящее время по данному методу достигнуты значительные технико-экономические показатели: около 40% объёма монтажных работ производят в цехах; трудоёмкость этих работ снижена на 15-18%; повышены качество и привлекательность труда

[1],[72],[74].

Первоначально агрегатирование развивалось по пути комплектной поставки отдельных изделий, таких как паровые котлы, дизель-генераторы. В дальнейшем были созданы сборочно-монтажные единицы, скомплектованные из вспомогательных механизмов, тепло-обменных аппаратов, электрооборудования, трубопроводов, арматуры и т. п., объединенных по функциональному признаку [4],[17], [37],[38],[72],[74]. Внедрение функционального агрегатирования позволило начать работы по унификации и стандартизации агрегатов на строящихся транспортных и промысловых судах. Однако, вследствие большого количества сравнительно мелких сборочных единиц, включающих, кроме того, не более 10-12% трубопроводов, объем монтажных работ, перенесенных из судовых помещений в цех при функциональном агрегатировании не превышает 25-30%, продолжительность монтажных работ на судне сокращается на 15-20%, снижение трудоёмкости работ, перенесенных в цехи, составляет не более 20-25% [74].

На современном этапе, наряду с дальнейшим совершенство-ванием агрегатирования по функциональному принципу, применяется метод монтажа механического оборудования, скомплектованного по территориальному признаку (зональное агрегатирование) [8], [15], [17], [32], [43], [64], [72], [73], [74].

В качестве несущей конструкции в сборочно-монтажных единицах принимается либо штатная корпусная, либо дополнительная конструкция типа рама-каркас.

В настоящее время наиболее широкое распространение в отрасли получил способ зонального агрегатирования технических средств на несущих конструкциях типа рама-каркас [37], [68].

Однако, применение такого способа на малых судах затруднительно ввиду их малого водоизмещения, что приводит к увеличению затесненности машинного отделения и ухудшению технических характеристик судна. Кроме того, масса монтажных блоков составляет от 500 до 2000 кг. Это в ряде случаев приводит к увеличению доли тяжелого ручного труда при монтаже блоков в затесненных закрытых помещениях, по сравнению с монтажом изделий поштучно, например, труб при расположении панелей на переборке и подволоке. Поэтому при разработке технологических схем постройки малых судов чаще применяется принцип компоновки технических средств на штатных корпусных конструкциях [15], [64].

Однако, как показал анализ [7], применяемые в настоящее время, как на малых, так и на больших судах, секционный, блочный и блочно-секционный методы постройки, совместно с агрегатированием механического оборудования, во многом исчерпали возможности обеспечения существенного роста производительности труда и сокращения продолжительности постройки судна. Чем это объясняется?

Результаты внедрения зонального агрегатирования, к примеру, на судах типа «Баренцево море» и на некоторых других [34], [75], которые можно считать весьма успешными (в цех перенесено около

50% объёма монтажных работ и соответственно сокращена продолжительность монтажных работ, выполняемых на судне, на 45-47%) оказываются незначительными с точки зрения сокращения продолжительности постройки судна, — она сокращена всего лишь на 35%. Технико-экономический анализ [7] показал, что эти данные вполне справедливы, поскольку трудоёмкость монтажных работ в общем объеме постройки судна составляет 8-12% [25], [58], [74].

Отечественный и зарубежный опыт модульной постройки судов показывает её преимущества перед применяемым традиционным блочно-секционным методом постройки совместно с агрегатированием механизмов и оборудования. Модульность как система постройки базируется на стандартизации, она развивает и усиливает основные положительные качества стандартизации — индустриализацию производства, рост его мобильности. Основные направления развития судостроения предусматривают широкое применение модульного принципа.

Можно указать на два принципиальных отличия модульности от стандартизации [42]. Во-первых, если стандартизация (по ЕСКД) полностью и однозначно определяет конструкцию изделия, то модульность не только допускает различные сочетания составляющих стандартных элементов, изменение их количества, включение новых элементов, но и собственно означает поиск новых, оптимальных сочетаний составляющих частей конструкции. Во-вторых, если стандартизация быстрее всего выполнима и даёт неоспоримый эффект на низких уровнях иерархической структуры конструкции изделия, то модульность осуществима и дает наибольший эффект прежде всего на крупных частях сложных систем. В широком понимании модульный принцип подразумевает объединение в модули стандартных элементов судна с целью облегчения их изготовления, сборки, монтажа [42].

Корпусный модуль служит основой зонального, функционального или конструктивного модуля. В настоящее время стандартизация в

отечественном судостроении выполнена на уровне деталей, отдельных узлов и элементов корпуса («Единая система стандартных данных корпусостроения» — ЕССДК [44]).

Вместе с тем известно, что основная доля трудоёмкости корпусных работ приходится на секционную, блочную и стапельную сборку, то есть целесообразна стандартизация на более высоком уровне, чем в ЕССДК — на уровне секций и блоков [44].

Однако, по своей совокупной эффективности стандартные и модульные корпусные конструкции не равнозначны. Проигрыш от стандартизации в судокорпусостроении тем больше, чем более крупные сборочные единицы она охватывает [44]. Стандартная сборочная единица должна быть более низкого уровня (то есть мельче), чем типовая корпусная секция (палубная, бортовая, днищевая...), так как такие секции уже в значительной мере отражают специфику проекта судна [42]. В свою очередь судовые модули должны быть максимально приспособлены для изготовления на поточных линиях: обладать одинаковыми массогабаритными характеристиками и технологической однородностью; характеризоваться одинаковыми уровнями суммарной трудоёмкости изготовления и одинаковыми трудоёмкостями по видам работ [42].

Реализация модульных принципов предполагает изготовление корпусных конструкций в требуемых допусках и механизированного выполнения соединений модульных элементов, поэтому при сборке корпусных модулей на механизированных поточных линиях крайне нежелательными являются пригоночные работы, так как вследствие случайного характера их объёмов, они нарушают ритм производства.

Таким образом, по мере укрупнения модульных элементов, степень стандартизации снижается. Именно, когда крупные корпусные модули разрабатываются на основе стандартных сборочных единиц массового выпуска и имеют более низкую степень стандартизации (унификация, типизация), модульность означает дальнейший прогресс по отно-

шению к стандартизации. Максимальный эффект модульность даёт на уровне наиболее крупных сборочных единиц — блоков. Это положение подтверждается отечественным и зарубежным опытом [42].

Высокая насыщенность рыбопромысловых, буксирных судов механизмами, системами, аппаратурой и большая трудоёмкость монтажа этого насыщения обусловливают целесообразность применения крупных общесудовых модульных сборочных единиц большой степени готовности на этих судах [55].

Известно, что стоимость постройки корпуса речного судна составляет 40-50% стоимости всего судна, а трудоёмкость изготовления корпуса достигает 50-80% в зависимости от типа судна [9]. Отсюда очевидна важность поиска путей её снижения. Формирование корпуса из модульных элементов, как было указано выше, представляется одним из перспективных.

Однако, модульный принцип постройки судна в трактовке полной взаимозаменяемости корпусной конструкции можно применить лишь для ограниченной номенклатуры судов относительно больших разме-рений - танкеров, рудовозов, речных судов для массовых грузов, контейнеровозов и т. п.

Для основной же массы судов, отличающихся существенной нерегулярностью общего расположения (буксиры, ледоколы, промысловые суда, сухогрузы и танкеры небольших водоизмещений), модульный принцип в части корпусных конструкций в полном функциональном понимании неосуществим.

Однако, как впервые заметил В. В. Подлясский [56], вопрос о полной взаимозаменяемости по всем параметрам корпусной конструкции может и не ставиться. При этом формирование судна должно производиться из объёмных насыщенных конструкций, которые базируются на модульно-агрегатных единицах (МАЕ). Корпусная часть МАЕ должна состоять из деталей и узлов, унифицированных в

максимально возможной степени, и должна быть приспособлена к изготовлению на механизированной поточной линии.

Реализация МАЕ предполагает использование, как основной, корпусной сборочной единицы - секции или подсекции [2].

Кроме того, как показывает опыт отечественной и зарубежной постройки, применение крупных судовых модулей наиболее целесообразно для средней части судов, имеющих значительную цилиндрическую вставку, что подтверждено, например, опытом постройки нефтерудовозов типа «Борис Бутома» [39],[55].

Рыбопромысловые, буксирные суда характеризуются полным отсутствием цилиндрической вставки или имеют незначительную цилиндрическую вставку длиной не более двух блоков (суда типа «Моряна»), и для них оказывается неприемлемой схема постройки с применением блоков в качестве крупных судовых модулей [55].

1.2. Анализ возможности внедрения модульного принципа при проектировании машинного отделения малых судов.

Модульный метод постройки судов обеспечивает, как было показано, максимальный эффект при формировании их из наиболее крупных модульных сборочных единиц. В настоящее время идея объединения механического оборудования в модули в отечественном [7] и зарубежном [36], [59], [70] судостроении находит реальное воплощение. Наиболее интересным является опыт создания модульных компоновок механического оборудования финской верфи «А/О Вяртсиля» по формированию машинных отделений судов СА-15 типа «Норильск». Аналогичные модули оборудования созданы рядом фирм Англии, США. Эти модули представляют собой часть оборудования машинного отделения, смонтированного на собственном каркасе, и не требующего дополнительных доводочных работ на судне [70].

В отечественном судостроении также созданы модули механического оборудования, смонтированного на собственном каркасе, например, два агрегата бытового водоснабжения для судов типа «Моряна» разработаны в модульном исполнении и пригодны для применения на ряде проектов судов аналогичного назначения [76]. Однако, основным направлением в отечественном судостроении является метод, предусматривающий включение в состав модулей штатных судовых корпусных конструкций, в частности платформ [70]. Для малых суцов, как было показано, применение штатных корпусных конструкций затрудняет использование модулей на различных типах судов, имеющих одинаковые главные двигатели и унификацию на этих судах вспомогательных механизмов.

При комплектовании механического оборудования параметры выпускаемых промышленностью механизмов редко полностью соответствуют тем, которые были определены в процессе проектирования, вследствие чего, устанавливаемые на судах механизмы имеют некоторый резерв производительности, мощности приводящих их в действие двигателей. Поэтому есть все основания полагать [28], что для обеспечения нужд гребных установок с одинаковой мощностью на гребном валу могут быть использованы одни и те же вспомо-гательные механизмы. В этих условиях реально создание унифици-рованного монтажного блока.

Эффективность систем модульных судов в значительной степени определяется оптимальной совокупностью энергетических комплексов, обеспечивающих их функционирование. На судовые энергетические установки приходится до 30-35% первоначальных и до 3040% текущих затрат по судну [22]. Применяя стандартные энергетические установки можно существенно снизить эти затраты.

Стандартизация судовых энергетических установок, как