CC BY
20УДК 629.12.015
Н. А. Пономарев, к. т. н., доцент, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЕЙ ЯКОРЕЙ ПЛАВУЧИХ НАВИГАЦИОННЫХ ЗНАКОВ
Приведены предварительные результаты испытаний моделей якорей для плавучих навигационных знаков: сегментного и якоря А. Саханского. Якорь А. Саханского испытан в двух вариантах с клапаном и без клапана. Намечены направления дальнейших исследований.
В госбюджетной научно-исследовательской работе, выполненной в 2003 г., были обоснованы направления совершенствования или замены применяемого сейчас для установки плавучих навигационных знаков сегментного якоря, [1]. Предлагалось изготовить модели якоря А. Саханского (усовершенствованного сегментного якоря), якоря “Краб” и гидростатического якоря Сребнюка по а.с. 1776 607 А1, а также сегментного якоря, и провести их сравнительные испытания.
Якоря “Краб” и Сребнюка, особенно последний, имеют достаточно сложную конструкцию; даже при хороших держащих свойствах они вряд ли смогут найти массовое применение в путевом хозяйстве. Учитывая это, а также реальные финансовые возможности, было принято решение провести модельные испытания только двух якорей - сегментного (применяемого сейчас) и якоря А. Саханского.
Чем крупнее модель якоря, тем достовернее результаты испытаний. Это объясняется тем, что моделирование грунта реально неосуществимо, его свойства и для модели, и для натуры одинаковы. Естественно, крупномасштабные модели труднее изготовить, и они дороже.
Мы проанализировали результаты модельных испытаний рабочих якорей земснарядов, выполненных кафедрой судовых устройств и вспомогательных механизмов ГИИВТа в 1958-1963 гг. Вполне достоверные выводы были получены при массе модели около 5 кг [2]. Так, 16-17 ноября 1962 г. на реке Оке в районе г. Горького, а также в лотке гидротехнической лаборатории ГИИВТа были испытаны модели якорей Д.И. Горбунова массой 5.65 кг и Гошева - ГИИВТа массой 4.62 кг. При такой массе держащая сила якоря Горбунова в некоторых опытах превышала 300 кгс - максимальное усилие, на которое был рассчитан применяемый пружинный динамометр.
Поскольку держащая сила якорей для плавучих знаков на порядок меньше, чем у рабочих якорей земснарядов, массы наших моделей при конструировании были приняты примерно в 2 раза большими. В 2005 г. они были изготовлены в мастерской Чкаловского ремонтно-отстойного пункта Волжского ГБУ. При сохранении заданных в чертежах габаритных диаметров фактические массы, особенно якоря Саханского, оказались заметно больше расчётных - за счёт неточного выполнения радиусов кривизны, определяющих толщину (высоту) по оси симметрии. Это, однако, не имеет практического значения, так как якоря сравниваются по удельной держащей силе
куд, определяемой по формулой [3]:
Т
К уд ~ “) (1)
тяё
где Т - держащая сила, Н; тя - масса якоря, кг;
g - ускорение свободного падения, м/с2.
Модели показаны на рисунках 1 и 2; здесь приведены основные расчётные размеры, а также расчётные и фактические массы.
Рис. 1. Модели сегментного якоря Масса расчетная 8,00 кг, фактическая: 10,3 кг (изготовлена Чкаловским РОП) и 8,75 (изготовлена фирмой «Гидротермаль»)
В ходе работы над темой возникла идея дополнить модель якоря Саханского клапаном, который при опускании якоря на грунт, будучи открытым, выпускал бы воздух и воду, способствуя присасыванию якоря к грунту. Затем клапан закрывается, обеспечивая надёжное удержание якоря на дне. Наконец, при подъёме якоря открытие клапана должно способствовать уменьшению усилия его отрыва от дна. Вариант модели с клапаном, а также (для сравнения) модель сегментного якоря были изготовлены осенью 2004 г. Спонсором - фирмой “Гидротермаль” (см. рис. 2.). Из-за отсутствия заготовки нужного размера наружный диаметр якоря Саханского был выполнен равным 220 мм (расчётный составил 240 мм), что почти на 20 % уменьшило площадь, а значит, эффект присасывания.
Рис. 2. Модели якоря Саханского Масса расчетная 8,70 кг, фактическая: 14,0 кг (изготовлена Чкаловским РОП) и 8,60 кг (с клапаном, изготовлена фирмой «Гидротермаль», без клапана 8,5 кг.)
Диаметр 220 - у изготовленной фирмой «Гидротермаль»
У судовых якорей, зарывающихся в грунт лапами, держащая сила определяется протаскиванием якоря по дну. Для наших моделей, которые присасываются к грунту, аналогичная характеристика может определяться как максимальное вертикальное
усилие, необходимое для отрыва. Как известно, для обычных судовых якорей при расчёте якорных механизмов оно принимается равным удвоенному весу якоря 2тя%, [3,с 241.].
Установка для испытаний моделей показана на рисунке 3. Для замера усилий использовался пружинный динамометр с диапазоном измерений 0-30 кгс (0-300 Н) и ценой деления 0.2 кгс (2 Н). Усилие создавалось автомобильной лебёдкой с рычажным приводом, рассчитанной на максимальное усилие 500кгс (5 кН).
Рис. 3. Установка для испытания моделей якорей:
1 - якорь; 2 - канат о 3; 4 - канифас - блок; 5 - динамометр; 6 - направляющая;
7 - лебедка; 8 - стойка.
Испытания проводились в общей сложности 5 раз: 3 раза осенью 2004 г. и 2- весной 2005г. Для удобства сравнения результатов они названы сериями с I по V- в хронологическом порядке.
Сразу же обнаружилось, что держащая сила обоих типов якорей существенно зависит от времени нахождения на грунте - проявляется так называемый “эффект присасывания”. Поэтому время выдержки на дне, после чего начинался подъём модели, фиксировалось во всех опытах секундомером.
Результаты испытаний систематизированы в таблице. В ней даны сведения о времени, месте и условиях проведения; в графе 6 приводятся результаты всех замеров усилий и соответствующие им значения удельной держащей силы. В графе 7 записаны среднеарифметические значения для группы опытов с одинаковыми условиями проведения. При этом минимальные (в графе 6 отмечены знаком *) и максимальные (отмечены знаком **) значения отбрасывались, как случайные.
Анализ результатов испытаний позволяет сделать следующие выводы.
Первый и основной: якорь Саханского в обычном варианте (без клапана, модели массой 8.50 и 14.0 кг) не показал однозначного и существенного преимущества перед применяемым сегментным якорем. Так, в первой и второй сериях он был лучше:
кУд соответственно 1.36 и 1.55; 1.14 и 1.24. В остальных он показал почти одинаковые
свойства или был хуже, например, в пятой соответственно 1.83 и 1.34; 1.86 и 1.43.
Второй: во всех сериях (I. П. П1. V), где якорь Саханского испытывался без клапана и с клапаном, отмечено бесспорное улучшение держащих свойств при использовании
клапана; например, в третьей серии к уд соответственно 1.27 и 2.01; в пятой 1.43 и 2.13.
Однако, прежде, чем рекомендовать путейцам такой якорь, необходимо серьёзно продумать конструкцию клапана и, главное, технологию использования в реальных условиях.
Таблица 1
Результаты испытаний моделей якорей
Дата, серия Тип якоря Масса, кг Место проведения Род фунта Значения: числитель Т, Н; знаменатель Среднеариф- метическое значение К уд
1 2 3 4 5 6 1
07.11.04 I Сегмент- ный 8.75 Река Волга, Н.-Новгород, городской пляж Плотный песок средней крупно- сти Выдержка 30 с 112 110* 114 110 1.30 1.28 1.33 1.28 143** 130 1.67 1.51 1.36
Саханско-го (без клапана) 8.50 Выдержка 30 с 132 143** 126 135 1.58 1.71 1.51 1.62 130 120* 125 1.55
1.56 1.44 1.50
Саханско-го (с клапаном) 8.60 Выдержка 30 с 150* 171 185*' 1.96
1.78 2.03 2.19 180 155 164 2.131.841.94
08.11.04 II Сегмент- ный 8.75 Нижнее озеро зоны отдыха “Щёлковский хутор” Плотный песок средней крупности, сверху тонкий слой ила Выдержка 10 с 108 98 109” 1.14
1.261.14 1.27 90 95 89*
1.05 1.111.04
Саханско-го (без клапана) 8.50 Выдержка 10 с 96 93' 110 1.151.121.32 112** 99 109 1.24
1.34 1.191!31
Саханско-го (с клапаном) 8.60 Выдержка 10 с 106 120** 108 88** 1.28
1.26 1.42 1.28 1.04 110 109 1.30 1.29
13.11.04 III Сегмент- ный 8.75 Луговое озеро вблизи д. Никульс кое Вязкий, илистый Выдержка 30 с 99 110 100 115 120 1.33 - 2.33
1.151.281.161.341.40 92* 128 110 130 137**
1.07 1.49 1.28 1.51 1.60 Выдержка 2 мин 220 180 2.56 2.10
Саханско-го (без клапана) 8.50 Выдержка 30 с 118** 103 110 110 105 1.27
1.42 1.241.321.321.26 112 99 100 99* 104
1.341.191.201.191.25
Продолжение таблицы
1 2 3 4 5 6 7
Саханско-го (с клапаном) 8.60 Выдержка 30 с 155 240“ 160 162 130* 1.84 2.84 1.901.92 1.54 170 203 168 150 190 2.02 2.411.991.78 2.25 2.01
17.05.05. IV Сегмент- ный 10.3 Нижнее озеро зоны отдыха “Щёлковский хутор” Плотный песок средней крупности, сверху тонкий слой ила Выдержка 30 с 140 122 121* 131 132 1.391.21 1.20 1.301.31 146 159** 146 123 145 1.44 1.57 1.44 1.22 1.44 1.34
Выдержка 2 мин 189** 158' 172 175 160 1.87 1.56 1.70 1.73 1.58 1.67
Саханско-го (без клапана) 14.0 Выдержка 30 с 130* 141 153 158“ 0.95 1.031.11 1.15 151 153 1.101.11 1.09
Выдержка 2 мин 205 196* 260** 208 260 1.49 1.43 1.89 1.51 1.89 1.63
19.05.05 V Сегмент- ный 8.75 Нижнее озеро зоны отдыха “Щёлковский хутор” Плотный песок средней крупности, сверху слой ила Выдержка 30 с 175 145 148 143 2.041.691.721.67 155 160 142* 150 1.81 1.86 1.65 1.75 185** 180 2.16 2.10 1.83
Выдержка 2 мин 160 150 220“ 160 1.86 1.75 2.56 1.86 159 149* 169 1.85 1.74 1.97 1.86
Саханско-го (без клапана) 8.50 Выдержка 30 с 110 110 113 111 121 1.32 1.321.36 1.33 1.45 105 99* 128“ 1.261.19 1.54 1.34
Выдержка 2 мин 112* 115 123 145** 1.34 1.38 1.48 1.74 1.43
Продолжение таблицы
Саханско-го (с клапаном) 8.60 Выдержка 30 с 138 205" 180 190 1.64 2.43 2.13 2.25 110* 135 132 200 1.30 1.60 1.56 2.37 1.93
> Выдержка 2 мин 201 138° 159 270’* 2.38 1.64 1.88 3.20 2.13
Третий: из-за задержки изготовления моделей испытания были кратковременными и не позволили накопить достаточного статистического материала. Уместно напомнить, что разработка и доводка судовых якорей, ставших классическими, длилась годами и десятилетиями. Например, серьезные исследования Британского Адмиралтейства по увеличению держащей силы якорей начались в конце 1945 г. После множества лабораторных и модельных испытаний, на основании сотен (!) диаграмм, отражавших работу разных моделей, были созданы якоря, названные АС-11 и АС-14. Были испытаны натурные образцы, и только в 1960г. якоря утверждены типовыми для вновь строящихся кораблей британского флота, [4, с. 268-269]
Поэтому, на наш взгляд, проведённые испытания следует считать предварительными, их необходимо продолжить летом 2005 г., при этом провести ещё значительное число замеров на разных видах грунта. Проверить держащие свойства при большой выдержке времени, измеряемой не минутами и секундами, а часами. Сравнить держащие свойства якорей при отклонении направления усилия от вертикали, которое весьма существенно: на практике плавучий знак удерживается канатом, длина которого равна тройной глубине в месте установки, т. е. угол отклонения от вертикали равен примерно 70°.
Список литературы
[1] Пономарев Н.А. Якоря для плавучих навигационных знаков // Вестник ВГАВТ: Судовая и промышленная энергетика. - Вып. 5. - Н. Новгород: ВГАВТ, 2003. - С. 90-93.
[2] Башкиров В.Д. Рабочие якоря повышенной держащей силы для дноуглубительных снарядов // Труды ГИИВТа: Вопросы совершенствования дноуглубительной техники. - Вып. 91. - М.: Транспорт, 1967. - С. 46-54.
[3] Сизов Г.Н., Аристов Ю.К., Лукин Н.В. Судовые насосы и вспомогательные механизмы. Учебное пособие для вузов водного транспорта. - М.: Транспорт, 1982. - 303 с.
[4] Скрягин Л.Н. Якоря. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1979. - 384 с.
TESTS OF MODELS OF ANCHORS OF FLOATING NAVIGATION SIGNS
N. A. Ponomarev
Preliminary results of tests of models of anchors for floating navigating signs are resulted: segment and A. Sahanskij type anchors. A. Sahanskij type anchor is tested in two variants with the valve and without the valve. Directions of the further researches are planned.
