На правах рукописи

СОЛОВЬЕВ Владимир Игоревич

Исследование механизмов упруго-пластического

деформирования и разрушения барабанов высоконагруженных

лебедок и разработка мер увеличения их долговечности

(на примере траловых лебедок крупнотоннажных рыбопромысловых судов)

01.02.06 – динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск – 2011

Работа выполнена на кафедре «Прикладная механика, динамика и прочность машин» ГОУ ВПО «Южно–Уральский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Чернявский Александр Олегович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Березин Игорь Яковлевич доктор технических наук, профессор Жилкин Виталий Афанасьевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО Дальневосточный государственный технический рыбнохозяйственный университет, г. Владивосток

Защита состоится 29 июня 2011 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.298.02 при ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр.

Ленина, 76, ауд. 1001.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет».

Автореферат разослан _16_ _мая_ 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук А.О. Чернявский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований обусловлена массовыми отказами в эксплуатации траловых лебедок больших автономных траулеров-морозильщиков (БАТМ) и среднетоннажных рыболовных траулеров (СРТ, СРТМ), ведущих в штатном режиме активный океанический промысел морепродуктов крупногабаритными тралами. Постановка и подъем трала осуществляется с помощью лебедки, на барабан которой наматывается до 2.5 км троса с натяжением 12…20 тс. Барабан представляет собой толстостенную трубу с ребордами – круглыми пластинами. Основным видом отказов является пластическое деформирование барабанов с удлинением в осевом направлении и развал боковых стенок (реборд), что приводит к их заклиниванию в опорах, и, как следствие, необходимости ухода судов с промысла на ремонт. Проблема недостаточной несущей способности барабанов в последнее время усугубилась вследствие изменения режимов работы траловых комплексов – увеличением скоростей и глубин траления.

Решение задачи о прочности лебедок предполагает исследование нагрузок, действующих на их элементы в условиях реальной эксплуатации, определение механизмов разрушения, разработку способов анализа этих механизмов. Достаточно большое число работ посвящено анализу динамических усилий, возникающих в системе «судно – ваер – трал».

Значительный вклад в теоретические и экспериментальные исследования этой системы внесли отечественные и зарубежные ученые: Алексеев Н.И., Баранов Ф.И., Светлицкий В.А., Габрюк А.В., Трунин С.Ф., Степанов Г.Н., Стрекалова В.Н., Фридман А.Л., Альтшуль Б.А., Гуревич М.И., Ермакова Т.В., Зинченко В.П., Недоступ А.А., Николаев В.В., Обвинцев А.Л., Расулев Ш.А., Торбан С.С., Котерама В., Ли Д., Парк Г., Юнг Л. и многие другие. Значительно меньше внимания уделено прочности этих элементов конструкций. Работы касаются прочности лебедок в «традиционной»

постановке, связанной прежде всего с многоцикловой усталостью, и не рассматривают такой специфический механизм, как накопление пластических деформаций в барабане.

Появление мощных численных методов и реализующих их пакетов программ позволяет в настоящее время широко применять численное моделирование, используя ограниченное число натурных или лабораторных опытов для определения параметров и проверки расчетных моделей.

Следует отметить, что, несмотря на простоту конструкции барабана и схемы нагружения, типовой методики расчета его деформирования при многослойной (до 24 слоев) укладке растянутого троса (ваера) в аналитическом виде пока не существует. Поэтому эффективное использование современных численных методов требует разработки адекватных математических моделей, позволяющих решить ряд контактных задач с учетом податливости контактирующих элементов и свойств материалов.

Цель работы. На основе выявления механизмов разрушения барабанов высоконагруженных лебедок разработать комплекс мер по увеличению их долговечности.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:

1. Разработать математическую модель ваера как элемента тралового комплекса, определяющего нагруженность несущих элементов траловых лебедок. Реализация модели должна обеспечивать возможность ее использования в режиме реального времени в условиях промысла.

2. Разработать измерительные устройства для регистрации параметров работы тралового комплекса и нагрузок на барабаны траловых лебедок в эксплуатации.

3. Исследовать влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на нагруженность барабанов траловых лебедок на различных режимах траления.

4. Разработать расчетную модель для исследования напряженно-деформированного состояния барабанов траловых лебедок, позволяющую выявить механизм их разрушения.

5. Исследовать процесс накопления пластических деформаций барабанов в эксплуатации, оценить значимость отдельных внутренних силовых факторов и разработать рекомендации по повышению несущей способности траловых лебедок.

Объект исследования. Барабан траловой лебедки для многослойной укладки растянутого стального многопрядного троса общей длиной до 2. километров. Барабан состоит из центрального толстостенного цилиндра (веретена) диаметром 0,5 м, толщиной стенки 0,1 м, длиной 2,2 м, и двух боковых стенок (реборд), выполненных в виде круглых пластин с наружным диаметром 1,5 м., толщиной 0,02…0,03 м. В ряде конструктивных вариантов пластины имеют одностороннее подкрепление в виде радиальных ребер жесткости. Материал всех элементов барабана (в соответствии с отраслевыми техническими условиями) – конструкционные малоуглеродистые стали группы К22, имеющими предел текучести не менее 216 МПа. Термическая обработка не предусмотрена.

Методы исследования. Для проведения расчетных исследований нагрузок в ваерах, передаваемых на барабаны траловых лебедок во время траления, использована расчетная модель ваера в виде абсолютно гибкой звенчатой цепи и соответствующая программа расчета, разработанная автором. При расчетах барабана использованы аналитические решения, известные пакеты прикладных программ LS-DYNA и ANSYS, реализующие метод конечных элементов при анализе неупругого контактного деформирования и разрушения, а также методы теории приспособляемости.

Достоверность результатов и выводов обеспечена:

- сравнением рассчитанных по модели ваера параметров (усилие, длина, угол схода, глубина постановки трала) с экспериментальными данными, полученными во время научно-промысловых рейсов судов совместно сотрудниками ПКВИМУ, управления промыслового флота КМПО и Базой океанического рыболовства (г.Петропавловск-Камчатский);

- сравнением рассчитанных изменений размеров барабанов с результатами их обмеров, произведенных на Петропавловской судоремонтной верфи (СРВ) и Петропавловском судоремонтном заводе (ПСРМЗ), выполненных специалистами предприятий с участием автора.

Научная новизна работы.

1. Разработана математическая модель ваера, схематизирующая его упругую линию в виде звенчатой цепи, отличающаяся от существующих моделей учетом смешанных (геометрических и силовых) граничных условий при произвольной длине гибкой нити, которая позволяет решать геометрически нелинейную задачу без использования метода последовательных приближений.

2. Выявлен новый механизм накопления односторонних пластических деформаций в конструкциях, не требующий – в отличие от рассматривавшихся ранее – для своей реализации неизохронности изменения напряжений по объему конструкции: накопление вследствие циклических изменений конструкции. Показано, что этот механизм реализуется в барабанах лебедок вследствие укладки и удаление слоев растянутого троса, причем накопление деформаций в одном цикле ограничено характером нагружения, связанном с наличием начальных напряжений (натяжением троса), а полная накопленная деформация может быть неоганиченной.

3. Разработана конструкция тензометрической оси кормового ваерного блока и схема подключения тензорезисторов в мостовую схему с четырьмя активными датчиками, позволяющая осуществлять непрерывную регистрацию тягового усилия в ваере и угол его схода с палубы судна и исключить помехи и сигналы от посторонних факторов, не регламентированных условиями измерения.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Разработано автоматизированное рабочее место (АРМ) тралмастера, позволяющее расчетным путем оценить возможность добычи конкретных видов гидробионтов конкретным типом судна с определенным видом трала на заданном режиме (скорости и глубине траления, максимальной величине свободной мощности судна, канатоемкости барабанов) и произвести соответствующую настройку траловой системы перед началом работы.

2. Использование разработанного АРМ во время промысла позволяет оперативно получить рекомендации по эффективному снижению нагрузок на промысловые механизмы.

3. Разработано устройство для измерения усилий в ваерах, позволяющее в условиях реальной эксплуатации получить оперативную информацию о работе трала и предотвратить (при ручном управлении приводом) появление нагрузок на траловые лебедки, которые могут привести к выходу из строя барабанов и других несущих элементов конструкции.

4. Разработаны рекомендации по усилению барабанов и выбору марок сталей при постройке или модернизации траловых лебедок с учетом реальных условий их эксплуатации.

Результаты работы в виде пакета программ «АРМ тралмастера»

переданы в отделы промрыболовства ЗАО «Океанрыбфлот» и Колхоза им.

В.И. Ленина и используются в учебном процессе по специальности «Промышленное рыболовство» в КГАОУ СПО «Камчатский политехнический техникум», о чем имеются соответствующие документы.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались автором на следующих семинарах и научно-практических конференциях:

на научных конференциях КамчатГТУ (г. Петропавловск-Камчатский, 2008 – 2011); на 56-ой Дальневосточной межрегиональной научно-теоретической конференции (Морской государственный университет им. адмирала Г.И. Невельского, г. Владивосток, 2008); на 58-ой Международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь – наука – инновации» (Морской государственный университет им. адмирала Г.И. Невельского, Владивосток, 2010); на Региональном молодежном инновационном Конвенте -2010 (г. Петропавловск-Камчатский, 2010); на Региональной научно-практической конференции молодых ученых (КамГУ им. Витуса Беринга, Петропавловск-Камчатский, январь, 2011); на Региональном этапе конкурса НТТМ (КамГУ им. Витуса Беринга, Петропавловск-Камчатский, март, 2011); на региональных научно-практических конференциях (КПТ, Петропавловск-Камчатский, 2009 – 2010); на научном семинаре кафедры промышленного рыболовства Дальрыбтуза (Владивосток, 2010.).

Публикации. По теме работы опубликовано 12 работ, в том числе – в журналах, входящих в список рекомендованных ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Расчетная модель схематизации упругой линии ваера в виде звенчатой цепи; методика расчета тяговых нагрузок в ваерах с использованием этой модели и АРМ тралмастера.

2. Конструкции динамометров для регистрации и контроля нагрузок в ваерах в условиях реальной эксплуатации.

3. Конечно-элементные модели барабанов грузовых лебедок и методики расчетных исследований процессов их упруго-пластического деформирования при многослойной укладке натянутых тросов, укладке завершающего витка слоя и контактного давления троса на барабан.

4. Обнаруженный механизм накопления односторонних деформаций в конструкциях с циклически меняющейся структурой.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения.

Основной текст диссертации изложен на 146 страницах, содержит 66 рисунков и 7 таблиц. Библиографический список включает 112 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано общее описание проблемы обеспечения прочности в эксплуатации высоконагруженных тяговых лебедок, к числу которых относятся траловые лебедки, приведены характерные виды отказов их основных несущих элементов, раскрыта актуальность темы и показана практическая значимость решения поставленной проблемы для промыслового флота Дальневосточного региона страны.

В первой главе изложен анализ литературных источников по следующим направлениям:

1. Расчетные модели ваера для режима траления.

В большинстве аналитических методов расчета тяговых тросов, находящихся в силовом поле (как сил тяжести, так и аэро- и гидродинамических сил), используется модель троса в виде гибкой весомой нити с пренебрежимо малой изгибной жесткостью, приводящаяся к нелинейному дифференциальному уравнению, решаемому при заданных силовых или геометрических граничных условиях и длине троса или размере пролета. Для ряда конструкций, например, при расчете линий электропередач, эта методика дает удовлетворительный результат, но неприемлема для расчета ваеров, которые имеют лишь одну точку закрепления на корме судна и в сочетании тралом образуют кинематически изменяемую гибкую систему, длина и координаты концевых точек которой не могут быть заданы, а подлежат определению.

Известен метод схематизации упругой линии ваера в виде цепной линии, состоящей из конечного числа шарнирно соединенных стержней, в срединах которых приложены все действующие на участок ваера нагрузки.

Однако этот вариант моделирования противоречит допущению о пренебрежимо малой изгибной жесткости троса и не обеспечивает точного соблюдения условий равновесия отдельного элемента модели, что приводит к одностороннему накоплению погрешности расчета, существенной при большом количестве участков.

2. Экспериментальные методы измерения тяговых усилий в буксирных тросах.

Динамометры lля измерения усилий в тяговых тросах фиксированной длины изготавливаются серийно, но в силу особенностей условий эксплуатации ваеров для измерения усилий в них требуется разработка специального измерительного устройства. В практике промышленного рыболовства последних лет наиболее часто используются навесные динамометры (монтируемые на тросе и не участвующие в передаче основного тягового усилия), прототип которых был разработан в Николаевском кораблестроительном институте. Известны его конструктивные варианты ПКВИМУ (Петропавловск-Камчатский), фирм VAKI Ltd (Исландия) и компании North-West (США), причем последние два варианта изготавливаются серийно. Однако конструктивные недостатки не позволяют использовать эти динамометры для непрерывного – в ходе эксплуатации, а не только в исследовательских рейсах – измерения усилия натяжения сравнительно жестких металлических тросов (ваеров).

3. Расчетные методы оценки несущей способности ваерных барабанов траловых лебедок.

Основное внимание специалистов в области промышленного рыболовства в последние годы уделялось разработке методов расчета и проектирования крупногабаритных траловых комплексов под заданный тип промыслового судна. При этом выполнялись типовые расчеты кинематических и силовых параметров приводов промысловых механизмов, в том числе и траловых лебедок, и прочностные расчеты основных несущих элементов конструкций по простейшим формулам сопротивления материалов в предположении линейной упругости.

Известен ряд работ, в которых рассматривалась задача многослойной укладки растянутого троса на барабан, но при попытке получения аналитического решения авторы вынужденно вводили ряд упрощений, значительно снижающих практическую ценность исследований. По этой причине эти публикации можно рассматривать только как формулирующие техническую задачу. Полный учет геометрии конструкции (реборды, изменение толщины барабана в местах установки подшипников) и особенностей нагружения (кинематический характер нагружения, при котором деформирование барабана с уменьшением его диаметра приводит к ослаблению давления на него со стороны бухты троса; неравномерность натяжения троса в бухте; неосесимметричная задача определения давления на реборду со стороны витка, завершающего слой) возможен, повидимому, только в рамках численных конечноэлементных решений.

На основании выполненного литературного обзора сформулированы приведенные выше цель и задачи диссертации.

Во второй главе изложено обоснование расчетной модели ваера для инженерных приложений и результаты исследований влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на тяговые нагрузки в ваерах, передаваемые на палубные механизмы.

Предлагается расчетная модель ваера (хордовая модель), основанная звенчатой цепью, состоящей из Ti- конечного набора материальных точек (рис. 1), удаленных друг от цепи t), и невесомых абсолютно жестких стержней.

Материальные точки сочленяются со стержнями в единую цепь через идеальные механические шарниры, за счет чего стержни могут передавать только осевые растягивающие усилия. В каждой из узловых материальных точек считаются приложенными в виде сходящейся системы сосредоточенных сил все нагрузки, действующие на участок ваера в эксплуатации, включая вес участка ваера qt, силы гидродинамического сопротивления его перемещения в воде Rгд, инерционные нагрузки, которые могут возникнуть при качке судна на волнении Pи. Для удобства записи уравнений равновесия проекции эти параметры на рис. 1 объединены в проекции суммарного вектора Rxi и Ryi соответственно. С геометрической точки зрения в модели реализуется схематизация упругой линии ваера хордами, соединяющими узловые точки, расположенные на этой кривой с заданным шагом t. Предлагаемый вариант схематизации весомой гибкой нити, находящейся в силовом поле, позволяет получить сходящуюся систему сил, действующих на любой ее участок, и обеспечить равновесное его состояние в строгой математической постановке.

Траловая система схематизируется материальной точкой, в которой приложены ее суммарное агрегатное сопротивление буксировке R и суммарный вес Q траловых досок и заглубителя, которые задаются по паспортным данным. Кроме этого, задается глубина и скорость траления, а также погонный вес и диаметр ваера.

Расчет начинается c анализа равновесного состояния нижней точки, в которой приложена самоуравновешенная сходящаяся система трех векторов сил, два из которых – R и Q – известны, а третий – тяговое усилие в первом звене Т – рассчитывается из условий равновесия. Аналогично рассматриваются равновесные состояния всех последующих точек (рис. 1) и одновременно вычисляются их вертикальные и горизонтальные координаты. Заканчивается расчет при совпадении вертикальных координат очередного узла и кормового ваерного блока. Иными словами, расчетом определяется, в каком месте должно находиться судно, чтобы обеспечить стабильную работу трала на заданной глубине с заданной скоростью его буксировки. Таким образом, за один цикл расчета определяются все силовые и геометрические параметры тралового комплекса, необходимые для оценки нагруженности палубных механизмов. Кроме этого, с достаточной для инженерных приложений точностью определяется длина ваера, необходимая для постановки трала на заданную глубину и заданной скорости траления, а также выдается информация о фактическом удалении трала от кормы, что позволяет принимать оперативные решения при маневрировании судна во время траления. К числу достоинств предлагаемой методики можно отнести простоту организации циклов расчета с варьируемыми параметрами тралового комплекса, что позволяет исследовать влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на нагруженность палубных механизмов.

Возможность использования хордовой модели ваера для расчетной оценки нагруженности палубных механизмов подтверждена сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными другими авторами. В качестве критериев соответствия полученных результатов (рис. 2) использовались: экспериментальные данные отдела добычи Базы океанического рыболовства Камчатрыбпрома, полученные во время научно-промысловых рейсов рыболовных судов типа БМРТ пр. 1288 и БАТМ пр. 1376. и Трунина С.Ф., Ферд- - хордовая модель мана Г.С., Степанова Г.Н.

Программа оформлеV = 1,5 м/с на в виде автоматизированного рабоче- мастера и используH, м ется специалистами Рис. 2. Расчетные зависимости и экспериментальрыбопромысловых предприятий Камглубины H и скорости буксировки V трала чатки при настройке и подготовке тралового комплекса перед началом промысла. С помощью программы выполнены расчетные исследования для количественной оценки влияния конструктивных (агрегатное сопротивление трала, вес заглубителя, диаметр ваера) и эксплуатационных факторов (глубина и скорость траления). В качестве иллюстрации возможностей программы на рис. 3. приведены расчетные зависимости усилий в ваере и его длины для различных режимов траления.

Рис. 3. Зависимости усилий TВ и длины L ваера от глубины H и скорости траления (СТ «Осторожный, трал 62/328, 1 – скорость траления 3 узла, 2 – 4 узла, 3 – 5 узлов) В третьей главе дано описание конструкций тензометрических динамометров, предназначенных для измерения нагрузок на палубные механизмы при выполнении различных технологических операций во время промысла морепродуктов. Основное внимание уделено разработке устройств для измерения усилий в ваерах при работе судна с тралом.

Предложена конструкция навесного многодиапазонного динамометра с регулируемой величиной перемещения обводного ролика и сменными упругими элементами в виде двухопорных тензометрических балок, работающих при чистом изгибе. Плавная регулировка искривления участка растянутого ваера позволяет обеспечить прочность и высокую чувствительность динамометра при измерении нагрузок в стальных и синтетических тросах любого диаметра. Рекомендуемая область применения – исследования во время научно-промысловых рейсов и использование на судах, не оборудованных штатными измерительными устройствами.

В качестве штатного измерительного устройства для непрерывной регистрации нагрузки в ваере предложена тензометрическая ось кормового соединения тензорезисторов, наклеиваемых на ось, позволяющая при свободном враРис. 4. Лебедка (1), кормовой блок (2) и щении блока на оси и незавиваер (3).

симом (серьга) подвесе оси блока к порталу на палубе определять величину тягового усилия в ваере и угол его схода по отношению к палубе судна. Для этого используется две полные мостовые схемы с четырьмя активными датчиками.

В четвертой главе рассмотрены вопросы выявления механизмов деформирования барабана, разработки соответствующих математических (в том числе – конечно-элементных) моделей и проведения расчетов, обеспечивающих описание экспериментально наблюдаемым видам отказов в эксплуатации.

Расчеты веретена барабана, выполненные по формулам сопротивления материалов, показали, что для барабана 12.5-тонной лебедки при максимальном усилии на тросе напряжения изгиба не превышают 18 МПа, а напряжения от его кручения не превышают 5 МПа. Таким образом, изгиб и кручение веретена, без учета дополнительных воздействий, не могут являться основной причиной пластического деформирования барабана.

Исследован уровень контактных напряжений, возникающих в веретене при навивке на него растянутого троса. Перемещающаяся зона контактных напряжений могла бы вызывать пластическое деформирование веретена по механизму раскатки, если бы величина напряжений была достаточно большой. Для определения величины напряжений выполнен конечно-элементный расчет системы «веэкв в данный момент виток» с использованием специализированного пакета ANSYS. Расчетная схема и результат расчета показаны на рис. 5. При расчете барабан схематизировался линейно-упругим изотропным телом, а многопрядный стальной трос – лиmax нейно-упругим анизотропным, при этом слоев. Высокая податливость троса (осослои троса – навиваемый в бенно в поперечном направлении) приводанный момент виток»

дит к тому, что контактные напряжения составляют всего единицы мегапаскалей. Небольшими по величине оказываются и напряжения, связанные с практически осесимметричным краевым эффектом, перемещающимся вдоль оси барабана вместе с границей части, заполненной тросом в очередном (навиваемом в данный момент) слое.

Основным источником напряжений, приводящим к пластическому деформированию барабана, является давление навитого троса. Навивка производится с усилием (трос натянут), и получаемая задача с начальными напряжениями формулируется аналогично задаче с неравномерным нагревом, в которой предварительное натяжение троса может быть смоделировано «тепловой» усадкой. Измерения показывают, что тяговое усилие по мере выбирания троса уменьшается в 2...3 раза вследствие снижения веса выбираемого троса и его гидродинамического сопротивления. С учетом этого задача о давлении троса на барабан лебедки может быть сформулирована как задача о посадке с натягом одного цилиндра (бухты троса) на другой (веретено лебедки), причем наружный цилиндр предположении линейной упругости материалов обоих цилиндров такая задача вдали от торцов может быть решена аналитически. Для реборд, колец подшипников) задача решалась численно (пакет ANSYS), пример решения показан на рис. 6.

Вычисленные напряжения существенно превосходят предел текучести и вызывают появление пластических деформаций. Кинематический характер нагружения приводит к тому, что возникающая в одном цикле деформация ограничена и невелика – она определяется состоянием, когда напряжения, соответствующие возникшей деформации, уравновешивают нагрузку со стороны троса, уменьшающуюся с деформацией веретена. Последующая разгрузка (разматывание троса при постановке трала) приводит к снятию напряжений, причем уровень остаточных напряжений очень невелик (в тонкостенном барабане они бы полностью отсутствовали). В отсутствии остаточных напряжений следующий цикл повторяет предыдущий: отличия связаны - только с деформационным упрочнением материала. Таким образом, повторяющиеся нагружения кинематического - характера приводят к накоплению дефорR, маций (перемещений) – рис. 7 – за счет того, что каждое нагружение начинается Рис. 7. Накопление деформаот своего начального состояния, характеций в барабане с числом цикризующегося накопленной в предыдущих циклах деформацией и нулевыми остаточными напряжениями.

Медленная стабилизация решения, показанная на рис. 6, приводит к вычислительным проблемам при расчете кинетики деформирования. С другой стороны, легко получить оценку максимальной накопленной деформации, если принять, что по толщине стенки веретена напряжения распределяются равномерно, т.е. пренебречь составляющей стабилизации, связанной с выработкой системы остаточных напряжений и учитывать только стабилизацию за счет деформационного упрочнения материала. В этом случае максимальная накопленная деформация может быть оценена с использованием только уравнений равновесия и диаграммы деформирования материала барабана. При этом поцикловый расчет не делается, результат получается путем решения лишь одного нелинейного уравнения, но число циклов до стабилизации (достижения накопленной деформацией вычисленного значения) неизвестно. При очевидном недостатке такого расчета – неизвестной скорости накопления – такое решение позволяет исследовать зависимость результатов от конструктивных параметров – диаметра и толщины стенки барабана, его материала, жесткости троса (ваера) и усилия намотки. На рис. 8 приведены примеры результатов:

зависимость полной накопленной деформации |R|max от жесткости троса E1 при различных диаграммах деформирования - материала барабана (сплошная линия соответствует используемому в настоящее время материалу). На этом же рисунке для сравнения приведено накопление деформации в первом цикле – R1. Показано, что увеличение механических характеристик материала барабана снижает величину |R|max гораздо заметнее, чем R1. Кроме того, величины Rmax и R1 по-разному зависят от жесткости троса E1, что должно учитываться при выработке рекомендаций: во-первых, эффективность замены материала трудно определить по первым циклам; во-вторых, более жесткие тросы выгоднее с точки зрения уменьшения накопления при ограниченном (небольшом) числе циклов, но при длительной эксплуатации приведут к бльшим накопленным перемещениям.

Рис. 8. Диаграммы деформирования материала барабана (а) и зависимости накопленной деформации от этих диаграмм и податливости троса (б,в) траловых лебедок WTJ-12,5, принятых на ремонт ОАО верфь» в период с февраля по июнь 2010 года, пока- - зали удовлетворительное совпадение с расчетом в - средней части барабана (рис. 9). В то же время эти обмеры обнаружили зону повышенной усадки на расстоянии около 0.4 м от реборды, не объясняемой полностью краевым эффектом при осесимметричной постановке задачи (рис. 6). Вклад этой зоны в общее удлинение барабана – в предположении несжимаемости материала при пластическом течении – составляет до 50%.

Наблюдаемый эффект может быть объяснен дополнительным изгибом краевой части барабана вследствие несимметричного нагружения реборды усилием со стороны витка троса, завершающего слой. Предыдущий виток образует с ребордой клиновой зазор, попадание завершающего витка в этот зазор приводит к появлению распорного усилия, дополнительных напряжений и пластических деформаций. Расчет этого процесса, выполненный к с использованием простейших схем (абсолютно жесткий трос кругового сечения – рис. 10а), так и с учетом податливости и анизотропии троса, а также усилий со стороны ваероукладчика (устройства, предназначенного для обеспечения равномерной укладки троса на барабан) – рис. 10б – показали, что возникающие напряжения достаточно велики, чтобы объяснить наблюдаемый эффект.

Рис. 10. Действие витка троса, завершающего слой. а) простейшая оценка, б) схема расчета МКЭ; в) распределение эквивалентных напряжений Основные результаты приведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований состоят в следующем:

1. Причиной массовых эксплуатационных отказов траловых лебедок рыбопромысловых судов являются осевые пластические деформации барабанов, и погибы их боковых стенок (реборд).

2. Определение нагрузок, действующих на траловые лебедки в процессе эксплуатации, возможно с использованием разработанной хордовой модели ваера, схематизирующей его упругую линию в виде конечного набора материальных точек, шарнирно соединенных в цепь жесткими невесомыми стержнями. Отличительной особенностью модели являяется то, что геометрически нелинейная задача о тросе в силовом поле со смешанными (силовыми и кинематическими) граничными условиями решается без использования последовательных приближений.

Разработанная на основе модели программа расчета оформлена в виде автоматизированного рабочего места (АРМ) тралмастера, позволяющего более качественно подготовить траловую систему перед началом работы и принимать оперативные решения при изменении параметров траления.

Разработанные конструкции динамометров обеспечивают измерение усилий на тросах в условиях как исследовательского рейса, так и реального промысла, не требуют монтажа при каждой постановке трала и не создают помех команде. Динамометры обеспечивают фиксацию нагрузок в реальном времени как в период траления, так и в периоды постановки и выборки трала.

Исследование напряженно-деформированного состояния веретена барабана показало, что основным фактором, приводящим к его пластическому деформированию, является суммарное давление большого числа слоев навитого троса. Напряжения, связанные с изгибом и кручением барабана как стержня, и перемещающимся по барабану пятном контакта с наматываемым тросом, невелики и не оказываю влияния на пластическое деформирование.

Рассчитанные зависимости напряжений в барабане от числа слоев навитого троса позволяют, вместе с данными об усилии на тросе в данный момент времени, предсказывать напряжения в барабане после выборки всего троса или его части и оценивать опасность появления пластических деформаций после выборки.

Накопление перемещений в барабане в процессе эксплуатации обусловлено новым, не рассматривавшимся ранее, механизмом, связанным с периодическими изменениями структуры конструкции.

При этом в каждом отдельном цикле нагружение близко к кинематическому; накопленная за один цикл деформация невелика. Однако изменение структуры (в данном случае – размотка и намотка троса) приводит к снятию остаточных напряжений в конце каждого цикла, что может приводить к непрекращающемуся накоплению деформаций.

Созданные методы расчета – как с использованием метода конечных элементов, так и прямые оценки – позволяют вычислять деформацию, накопленную за один цикл, за определенное число циклов и за неограниченное число циклов. Рассчитанные деформации удовлетворительно согласуются с измеренными.

8. Созданные методы расчета позволяют анализировать влияние различных факторов (размеров, свойств материала, величин нагрузок) на величину накапливаемой деформации и на этой основе выбирать решения, обеспечивающие требуемый ресурс барабанов. Показано, что увеличение толщины стенки и поверхностное упрочнение неэффективно; наибольший эффект дает применение материалов с более высокими пределами текучести. Так, при замене используемых сейчас сталей категории КП22, имеющих предел текучести 220 МПа, на стали категории КП35 с пределом текучести 350 МПа величина максимальных остаточных удлинений веретена может быть уменьшена до 7 раз.

9. Оценка экономической эффективности принятых решений затруднена режимом коммерческой тайны предприятий. В среднем, по оценкам экспертов, исключение одного дня непланового ремонта на одном судне может экономить до 400…800 тыс. рублей.

Публикации по теме диссертации Статьи, опубликованные в журналах из списка ВАК:

1. Портнягин, Н. Н. Тензометрические динамометры для измерения эксплуатационных нагрузок в тросах /Текст/ Н. Н. Портнягин, В. В.

Скрягин, В. И. Соловьев // Естественные и технические науки. – 2009. С. 288 - 291.

2. Портнягин, Н. Н. Динамометры для измерения нагрузок в ваерах при работе судна с тралом /Текст/ Н.Н. Портнягин, В.В. Скрягин, В.И. Соловьев // Естественные и технические науки.– 2009. - № 3. – С. 301-305.

3. Соловьев, В. И. Расчетно-экспериментальный анализ деформирования барабанов траловых лебедок /Текст/ В. И.Соловьев, А. О. Чернявский //Естественные и технические науки.–2010.- № 6.–С.42 – 48.

Другие публикации:

4. Соловьев, В.И. Тензометрические устройства для измерения нагрузок в ваерах /Текст/ сб. докл. на 56 межрегиональной научно – технической конференции:

- МГУ им. адм. Г. И. Невельского, – Владивосток, 2008.

5. Соловьев В.И. Тензометрическая ось кормового блока для измерения тяговых усилий в ваерах /Текст/ В.И. Соловьев, Н.Н. Портнягин, В.В.

Скрягин // Научно-технические исследования в рыбохозяйственной отрасли Камчатского края: сб. докл. на научно-технической конференции КамчатГТУ, – Петропавловск-Камчатский, - 2008. – С. 91 – 94.

6. Портнягин, Н.Н. Устройство для измерения длины ваера /Текст/ Н. Н.

Портнягин, В. В. Скрягин, В. И. Соловьев // Научно-технические исследования в рыбохозяйственной отрасли Камчатского края: сб.

докл. на научно-технической конференции КамчатГТУ, – Петропавловск-Камчатский, - 2008. – С. 94 – 95.

7. Соловьев, В.И. Влияние продольных срезов на прочность осей /Текст/ В.И.Соловьев, В.В. Скрягин // Научно-технические исследования в рыбохозяйственной отрасли Камчатского края: сб. докл. на научнотехнической конференции КамчатГТУ, – Петропавловск – Камчатский, - 2009. – С. 107 -108.

8. Соловьев, В.И. Выбор и обоснование расчетной модели ваера /Текст/ В.И.Соловьев // Научно-технические исследования в рыбохозяйственной отрасли Камчатского края: сб. докл. на научно-технической конференции КамчатГТУ. – Петропавловск-Камчатский, - 2009. – С.108–111.

9. Соловьев, В.И. Инженерная модель ваера для расчетной оценки нагруженности деталей палубных механизмов /Текст/ В.И.Соловьев, // Вестник Камчатского политехнического техникума; сб. науч. ст. – Петропавловск-Камчатский, 2010.– № 3. – С.106 - 10. Соловьев, В.И. Моделирование процесса многослойной навивки ваера на барабан траловой лебедки /Текст/ В.И.Соловьев, А.О. Чернявский, В.Д. Балабанов // Вестник Камчатского политехнического техникума;

сб. науч. ст. – Петропавловск-Камчатский, 2010. - № 3. – С.115 -128.

11. Соловьев, В.И. Модель ваера на режиме траления для расчета нагрузок на промысловые механизмы /Текст / В.И.Соловьев //сб. докл.

на 58 международной научно-теоретической конференции МГУ им.

адм. Г. И. Невельского,. – Владивосток, 2010.–С. 75 – 79.

12. Соловьев, В.И. Оценка уровня гидродинамических нагрузок на ваера на режиме траления /Текст / В.И.Соловьев, С.Е Напазаков. //сб. докл.

на 58 международной научно-теоретической конференции МГУ им.

адм. Г. И. Невельского, – Владивосток, 2010. – С. 80 - 81.

13. Соловьев, В.И. Моделирование напряженно-деформированного состояния барабана траловой лебедки методом конечных элементов /Текст/ В.И.Соловьев //сб. докл. на 58 международной научнотеоретической конференции МГУ им. адм. Г. И. Невельского; сб. науч.

ст. – Владивосток, 2010. – С. 82 - 86.