автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Обеспечение безопасной эксплуатации судов ледового плавания при ударном взаимодействии гребных винтов со льдинами

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВ

ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ И ПОВРЕЖЕНИЯ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ. 5

1.1. Классификация морского льда.5

1.2. Ледовые нагрузки.8

1.3. Из воспоминаний капитанов судов ледового плавания.14

1.4. Эксплуатационные повреждения гребных винтов судов ледового плавания.20

1.5. Трудоемкость восстановления элементов движительно-рулевых комплексов.34

ГЛАВА 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ УДАРА.37

2.1. Общие теоремы динамики материальной точки.37

2.2. Сведения из динамики систем материальных точек.41

2.3. Физическая природа и определение удара.45

2.4. Модель абсолютно твердого тела. Решение Ньютона.47

2.5. Волновая теория удара.50

2.6. Удар по свободному телу.56

ГЛАВА 3. УДАР ЛОПАСТИ О ЛЬДИНУ. МОДЕЛЬ НЬЮТОНА.58

3.1. Взаимодействие гребного винта с льдиной.58

3.2. Уравнения, определяющие взаимодействие льдины с гребным винтом.63

3.3. Система разрешающих уравнений.64

3.4. Коэффициент восстановления.,.71

3.5. Качественные результаты исследования работы гребных винтов в условиях ледового плавания.'.79

ГЛАВА 4. ФРЕЗЕРОВАНИЕ ЛЬДА ЛОПАСТЯМИ

ГРЕБНОГО ВИНТА.86

4.1. Вынужденные поперечные колебания.86

4.2. Приближенный учет распределенной массы и жесткости лопасти при ударе.90

4.3. Вынужденные колебания системы с одной степенью свободы, вызываемые импульсом мгновенных сил.93

4.4. Фрезерование льда лопастями гребного винта.96

ГЛАВА 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНЫХ СИЛ ПРИ КОНТАКТЕ

ЛОПАСТЕЙ ВИНТА СО ЛЬДОМ.105

5.1. Вводные замечания.105

5.2. Алгоритм определения ударных сил.110

5.3. Определение ударных сил и ударных моментов при взаимодействии лопастей винта со льдом.112

5.4. Определение возможной глубины дробления льда лопастями гребного винта.115

5.5. Сравнительная оценка прочности лопастей гребных винтов.127

Суровые условия эксплуатации судов ледового плавания ставят перед судоводителями задачи по обеспечению прочности корпуса, его конструкций, устройств и движительных комплексов.

Большое значение приобретает умение судоводителей принимать правильные оперативные решения по загрузке и управлению судном при различной номенклатуре грузов и в различной навигационной обстановке. Эти решения должны быть направлены на то, чтобы корпус, его элементы и движительный комплекс не испытывали нагрузки, превышающие допустимые пределы.

Прочность корпусов судов ледового плавания определяется Правилами постройки в зависимости от категории ледового плавания.

Укрупненные требования Правил постройки не могут охватить всех особенностей нагрузок, которые реально встречают суда при эксплуатации в районах, отвечающих их категории. Возникает необходимость в обеспечении капитана дополнительной информацией о безопасных режимах движения в зависимости от окружающих условий, технического состояния корпуса и т.д.

Эта задача решается в так называемых «ледовых паспортах».

Ледовые паспорта составляются для конкретной серии судов. Методика их разработки была предложена Лабораторией ледовой прочности ААНИИ и предусматривает использование как результатов расчетных оценок проходимости судов во льдах, так и данных натурных испытаний.

Основными параметрами, регламентируемыми ледовым паспортом, являются: безопасная возможная скорость движения, минимальная безопасная дистанция проводки и способность корпуса выдержать ледовые сжатия. /

В ледовый паспорт включаются основные характеристики судна, влияющие на его проходимость в ледовых условиях, ряд диаграмм для определения безопасной скорости движения при самостоятельном плавании и при плавании под проводкой ледокола, а также рекомендации по выбору ледоколов для проводки и назначения безопасной дистанции при проводке.

В некоторые ледовые паспорта дополнительно включаются специальные рекомендации для судоводителей, учитывающие специфические вопросы льдопроходимости судов рассматриваемой серии, а также критерии безопасности при ледовых сжатиях, в качестве которых указываются максимальная толщина льда, выдерживаемая корпусом во время сжатия.

Естественно, что ледовый паспорт не может охватить все реальные случаи эксплуатации судна во льдах. Практически во всех паспортах отсутствуют рекомендации по эксплуатации винто-рулевого комплекса в таких условиях, хотя определенные результаты исследований ударных нагрузок взаимодействия винтов и льда могут быть использованы в качестве рекомендаций для капитанов и штурманов. Объясняется это практически полной неопределенностью условий работы винто-рулевого комплекса в ледовых условиях.

Учитывая сказанное, совершенствование методик расчета сил ударного взаимодействия для судов ледового плавания является актуальной задачей, решение которой позволит разработать комплекс требований и рекомендаций для безопасной эксплуатации судов в ледовых условиях.

Цель работы - разработка методики для оценки силового взаимодействия лопастей гребного винта со льдом с учетом их прочностных свойств.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены

I 1 следующие задачи:

S выполнен анализ повреждений гребных винтов при эксплуатации судов в ледовых условиях;

S проанализированы методы расчета гребных винтов;

S разработана методика определения сил взаимодействия гребных винтов со льдом с учетом свойств льда и материала лопастей винта;

S выполнена оценка напряженно-деформированного состояния гребных винтов различного профиля сечения у комля винта; сформулирован алгоритм выработки рекомендаций по безопасной эксплуатации судов с точки зрения прочности гребных винтов.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Методика оценки силового взаимодействия лопастей гребного винта со льдом с учетом его прочностных свойств на основе гипотезы Ньютона.

2. Методика определения коэффициента восстановления (коэффициента Ньютона) с учетом прочностных свойств материала лопастей винта и льда.

3. Модифицированный алгоритм для оценки глубины дробления льда лопастями винта (льдопроходимость).

4. Рекомендации капитану по безопасной эксплуатации судна при плавании в ледовых условиях.

Основные результаты исследований сводятся к следующим:

1. Разработанный алгоритм определения контактных сил и скоростей вращения гребных винтов при ударах о лед позволяет учитывать физические характеристики льда и материала лопастей винтов.

2. Получена формула для определения коэффициента восстановления (коэффициент Ньютона), позволяющая учитывать влияние дробления и скалывания льда на величину ударных сил и скоростей вращения гребного винта.

3. Исследования показали, что импульс сил при ударе лопасти о льдину растет с ростом диаметра винта и массы льдины; Однако, при определенном значении массы льдины практически прекращается рост импульса сил.

4. С ростом массы льдины, аналогично изменению импульса сил, число оборотов гребного винта при ударе о лед стремится к определенному пределу.

5. При прочих равных условиях с точки зрения прочности лопастей

I I винта наиболее опасным является первый удар.

6. Результаты расчетов, выполненные по предлагаемой методике, качественно согласуются с данными работы [24], где использован обширный материал обработки натурных экспериментов при эксплуатации судов во льдах.

7. Методика определения предельной толщины льда, разрушаемого гребным винтом, позволяет производить качественную оценку проходимости судов во льдах с точки зрения работоспособности движителей.

8. Полученные результаты позволяют производить качественную оценку допустимой скорости хода судна во льдах с точки зрения прочности лопастей гребных винтов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для судов, эксплуатирующихся в условиях ледовой обстановки, обеспечение надежности работы винто-рулевого комплекса является одной

I I из главных проблем. В качестве одной из мер профилактики может служить предварительная информация о величине ударных сил и возможных исходах взаимодействия гребных винтов с твердыми предметами или льдинами.

Эту информацию необходимо излагать в ледовых паспортах наряду с обычно практикуемой информацией.

В представленной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное прикладное значение. На основе технической теории удара разработана и обоснована методика оценки контактных сил при взаимодействии гребного винта со льдом, а также обобщена задача об ударе на случай оценки работоспособности гребных винтов в тяжелых ледовых условиях.

1. Абоносимов В.И. Развитие судоходства во льдах замерзающих морей Дальнего востока и Арктики. Обобщающий доклад на соискание ученой степени доктора транспорта. Академия транспорта России ДО,I1. Владивосток, 1996, 138 с.

2. Абоносимов В.И. Проблемы эксплуатации, проектирования и строительства мощных мелкосидящих ледоколов с учетом особенностей ДВ бассейна и Арктики. //Приморское краевое правление ВНТОС им. акад. Крылова, вып.№ 40,1999.C. 6.

3. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1995. 600 с.

4. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. -М.: Наука, 1969. 198 с.

5. Анализ и обобщенные требования, предъявляемые к расчету валов судов ледового плавания. Отчет ЛКИ.Л. 19811.323 с.

6. Аппель П. Теоретическая механика. В 2-х т.-М.: Физматгиз, 1960. т.2. -487 с.

7. Бабаев Н.Н., Лентяков В.Г. Некоторые вопросы ощей вибрации судов. Л.: Судпромгиз, 1961.

8. Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., 'Кельзон А.С. Теоретическая механика в примерах и задачах: Учебное пособие. В 3-х т.-3-е изд. испр. -М.: наука, 1972.-663 с.

9. Беляев В.А. К определению напряжений в системе гребной валгребной винт при ударе последнего о твердый предмет. Тр.

10. Горьковского политехнического ин-та. 1961. T.XTV. вып. 1. С. 11-20.

11. Беляев В.А. Об ударе твердого предмета о лопасть гребного винта. Тр. Горьковского политехнического ин-та. 1961. T.XV. вып. 1. С. 17-23.

12. Бидерман В.Л. Теория удара.-М.: Машгиз.-, 1952.-76 с.

13. Бискуп Б.А., Терлецкий Б.М., Никитин М.Н. Прочность гребных винтов. JI: судостроение 1973-168 с.

14. Бородачев В.Е. Об учете линейных размеров льдин при визуальной оценке сплоченности льда //Тр. ААНИИ, т.388. JL:1.I

15. Гидрометеоиздат, 1981, с. 65-71.

16. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теретической механики: Учебник. В 2-х т.-2-е изд. Перераб. И доп.-М.: Наука, 1979. Т.2.-544 с.

17. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учебник. 3-е изд. Испр. -М.: Наука, 1964.-576 с.

18. Винокуров А.И:Сборник задач по сопротивлению материалов. Высшая школа, 1987

19. Горбачев К.П., Друзь Б.И., Сливаев Б.Г. К определению глубины прорезания льда лопастями винта при работе судов во льдах.

20. Горбачев К.П., Друзь Б.И., Сливаев Б.Г. К определению импульса сил при ударе лопасти о льдину. Модель Ньютона.

21. Горбачев К.П., Сливаев Б.Г. К определению сил при ударе лопасти о льдину. ДВГТУ. Вологдинские чтения. 2001

22. Давыдов В.В., Матгес Н.В. Динамические расчеты прочности судовых конструкций-Л.: Судостроение, 1974. 336 с.

23. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. Высшая школа, 1969

24. Долинский Ф.В., Михайлов М.Н.Краткий курс сопротивления материалов. Высшая школа, 1988

25. Жученко М.М., Иванов В.М. Судовые движители, Л.: Судпромгиз, 1956.

26. Игнатьев М.А. Гребные винты судов ледового плавания. Л: Судостроение. 1966, 114с.

27. Иосилевич Г.Б., Строганов Г.Б., Маслов Г.С. Прикладнаямеханика.М.: Высшая школа, 1989.-352 с.

28. Кацман Ф.М., Яконовский С.В. Ледовые нагрузки, действующие на лопасти судовых гребных винтов. Морской флот. 11967 №11 .с 26-27.

29. Кабачинский Н.Н. К вопросу об определении напряжений в гребном валу при ударе винта о твердый предмет. Тр. Горьковского политехнического ин-та. 1958. T.XIV. вып. 1. С. 14-16.

30. Кирпичев В.Л. Беседы о механике.-М.-Л.: Гостехиздат,1951.-360

31. Куприянов Д.Ф. Метельников Г.Ф. Техническая механика. М.,1975.

32. Курдюмов В.А., Хейсин Д.Е. Гидродинамическая модель удара твердого тела о лед. Прикладная механика. 1967. Т. 12. Вып. 10. с. 103-108.

33. Лавреньтьев В.М. Расчет гребных винтов, М.: Морской транспорт, 1949.

34. Лихоманов В.А., Хейсин Д.Е. Экспериментальное исследование удара твердого тела об лед. Проблемы Арктики и Антарктики. 1971. №38. С.105-111.

35. Лосев С.М. О соотношениях между геометрическимипараметрами льдин /Яр. ААНИИ, т. 388, 1987, с. 92-98.

36. Луценко В.Т. Доковый ремонт танкеров типа "Синегорск" // достроение. -1974. № 6.

37. Луценко В.Т. Надежность элементов винторулевого комплек-китобазы "Советская Россия" //сборник научных трудов. Вып. 1. ВИМУ. -Владивосток, 1978:

38. Луценко В.Т. Повреждения элементов винторулевого комплекса судов "Пионер": Тез. докл.//дху конф. ДВПИ. Владивосток, 1978.

39. Луценко В.Т. Повреждения элементов винторулевого комплекса судов типа "Пула"; Тез. докл. АХХУ научн. конф. ДВПИ. -Владивосток, 1978.

40. Луценко В.Т. Ремонт и надежность элементов винторулевого комплекса танкеров типа "Синегорск" //Сборник научных трудов.Вып. 1. ДВВИМУ. -Владивосток, 1978.

41. Луценко В.Т. Повреждения и ремонт элементов винторулевото1.Iкомплекса судов типа "Выборг": Тез. докл. / Дальневосточная Научн. конф. по повреждениям и эксплуатационной надежности судовых конструкций. ДВПИ. -Владивосток, 1978.

42. Луценко В.Т. Трудоемкость ремонта винторулевых конплексовморских судов Судостроение. -1979. № 1.

43. Луценко В.Т. Надежность элементов винторулевого комплекса судов типа "Андижан" //Исследования по эффективности и качеству судоремонта. Сборник научных трудов. Вып. 2. ДВВИМУ. -Владивосток, 1979.

44. Луценко В.Т. Надежность винторулевого комплекса судов типа "Повенец": Тез. доил. //Научн. конф. 7-9 сентября 1977 г. по учету особенностей ДВ бассейна при проектировании и модернизации судов. ДВПИ. -Владивосток, 1977.

45. Луценко В.Т., Черноблавский М.Н. Ремонт элементов винто-улевых комплексов СРТМ-502 /'"Сборник научных трудов. ДВВИМУ. -ладивосток, 1981.

46. Луценко В,.Т. Эксплуатационная надежность валопроводов судов Дальневосточного бассейна. Тез. докл. //Всесоюзная научн. Конф. "Проблемы повышения надежности судовых валопроводов". -Л:транспорт, 1981.

47. Луценко В.Т. Повреждаемость, эксплуатационная надежность иремонт гребных винтов // Технология судостроения. 1982. №5.

48. Луценко В.Т. Повреждения и ремонт элементов винторулевого комплекса ледоколов "Москва" //Там же, где и /19?/.

49. Луценко В.Т. Повреждения и ремонт элементов подводной части танкеров типа "Баскунчак" в ДВ бассейне //Судостроение. 1987. - № 9.

50. Луценко В.Т. Повреждения и ремонт танкеров типа "Алтай" // Судостроение. -1991. № 3.

51. Луценко В.Т. Повреждения и ремонт транспортных рефрижераторов в ДВ бассейне //Судостроение. -1992. № 7.

52. Македон Ю.А. О расчете на пррочность валов судов ледового плавания. Судостроение 1957 №1. С14-18.

53. Максимаджи А.И. Капитану о прочности корпуса судна. Л. : Судостроение, 1988 224 с.

54. Мительман Б.И., Розенберг Т.Д. Определение инерционных сил лопасти гребного винта //Труды ВНИТОСС, т.VI, вып.1, 1953.

55. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. М.: Наука. 1977-224 с.

56. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. -М:1. Наука, 1977.-167 с.1.I

57. Писаренко Г.С. Сопротивление материалов. Киев, 1986.

58. Попов Ю.Н., Фадеев О.В., Хейсин Д.Е., Яковлев А.А. Прочность судов, плавающих во льдах. JI. Судостроение. 1967 224 с.

59. Полунин Ф. Записки полярного капитана. «Дальневосточный моряк» №3-№13., 1998

60. Рывлин А.Е., Хейсин Д.Е. Испытания судов во льдах. Л.Судостроение. 1980. 208 с.

61. Разработка рекомендаций по устранению причин повышенной вибрации и поломок винта на судах "Охотское море". Отчет по научно-исследовательской работе, ДВПИ, Владивосток, 1977

62. Сливаев Б.Г., Луценко В.Т. Повреждения гребных винтов судов ледового плавания. Труды ДВГМА

63. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967.

64. Туманов С.И. Элементарная алгебра. Пособие для самообразования, М.: Просвещение, 1970. 864 с.

65. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. Высшая школа, 1974

66. Хейсин Д.Е., Лихоманов В.А. Экспериментальное определение удельной энергии механического дробления льда при ударе. Сб. науч.тр. 1973. №41. Проблемы Арктики и Антарктики.с.55-61.

67. Хейсин Д.Е., Черепанов Н.В. Изменение структуры льда в зоне удара твердого тела о поверхность ледяного покрова. Сб. науч.тр. 1970 №34. Проблемы Арктики и Антарктики. С.79-84.

68. Черняков Ю.Н., О проектировании гребных винтов ледоколов, Л.: Судостроение, №3,1951.

69. Эрдеди А.А., Медведев ю. А., Эрдеди Н.А. Техническаямеханика. Сопротивление материалов. М., « Высшая школа». 1991. 304 с.

70. Яблонский А.А., Норейко С.С. Курс теории колебаний. М. «Высшая школа», 1966. 256 с.

71. Ягодкин В.Е. Аналитическое определение момента1.!сопротивления ващения гребного винта при его взаимодействии со льдом. Сб.науч тр. 1963 №13. Проблемы Арктики и Антарктики. С.23-26.

72. Bevel D.E. Perham R.E., Hoque G.D. Ice forces on cones from floes.//Proc/ IAHR Ice Symp., v.3, Bauff,1989, p. 1391-1404.

73. Gorbachow K.P., Slivaev B.G. Estimation of forces resulting from impact of scrws against ice/ Model Newton. Materials International Conference Shipbuilding and Ocean engineering problems and perspectives. Vladivostok, 2001