ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ СУДОВОГО ЯКОРЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 629.12

Роннов Евгений Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой проектирования и технологии постройки судов ФГБОУ ВО «ВГУВТ», e-mail: [email protected]

Кочнев Юрий Александрович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры проектирования и технологии постройки судов ФГБОУ ВО «ВГУВТ», e-mail: [email protected]

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волжский государственный университет водного транспорта» (ФГБОУ ВО «ВГУВТ»)

603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ СУДОВОГО ЯКОРЯ

Ключевые слова: якорь повышенной держащей силы, действующие нагрузки, деформация лап якоря

При проектировании нового типа судового якоря необходимо учитывать требования Правил классификационных обществ к его конструкции, материалу, а также прочности различных элементов. Однако при реальной эксплуатации якоря возможны нагрузки, не учитываемые в настоящее время нормативными документами и обусловленные особенностями поведения якоря в грунте, при подъёме и входе в якорный клюз и нишу. В статье на примере балансирного якоря повышенной держащей силы приведены расчёты прочности лапы как при действии нагрузки, регламентируемой Правилами, так и предельной нагрузки, которая может возникнуть при эксплуатации якоря. Проанализированы различные способы контакта якоря с окружающей средой. Показано, что реальная опасная нагрузка для лапы меньше, чем пробная нагрузка при испытаниях и, как следствие, требуется её учет при проектировании.

Судовые якоря являются основными элементами якорного устройства, обеспечивающего в соответствующих ситуациях безопасность судна, поэтому при их проектировании и изготовлении Правила Регистра [1,2,3,4] предъявляют в прямом или косвенном виде требования по обеспечению необходимой держащей силы и к прочности элементов конструкции якоря.

Для якорей повышенной и высокой держащей силы Правила требуют эту силу подтверждать проведением совместных испытаний на различных типах грунта с обычным бесштоковым якорем (например, якорем Холла).

Веретено и лапы якоря, (последние зафиксированы в сечении на 1/3 длины от их кончика), должны выдерживать пробное усилие, за которое принимается величина, регламентируемая Правилами в зависимости от массы якоря. Выполнение этого требования предполагает, каким принимается наиболее опасное одновременное заглубление двух лап якоря в грунт, с точки зрения их прочности при обеспечении требуемой держащей силы.

Кроме того, при сдаточных испытаниях все детали якоря сбрасывают с определенной высоты на стальную плиту, уложенную на плотном основании, проверяя тем самым их с точки зрения динамической прочности. Также Правилами предъявляются жёсткие требования к материалу.

В подавляющем большинстве случаев выполнение этих требований обеспечивает целостность якорных элементов в зоне до пластических деформаций. При этом точка

приложения силы находится на одной трети длины лапы. Покажем это на следующем примере.

На рисунке 1 показаны геометрические характеристики якоря ПДСБ массой 1710 кг, соответствующие требованиям технический условий ТУ 6411-001-031495762013 [3].

Рис. 1. Лапа якоря ПДСБ массой 1710 кг

Возникающие напряжения в элементах якоря находятся сложением по формуле [1]

о^ =-\1<У2 + 3хх2,

где о - нормальные напряжения в рассматриваемом сечении; х - касательные напряжения в рассматриваемом сечении.

Учитывая, что нормальные напряжения от общего изгиба максимальны на краях сечения, а касательные напряжения, наоборот, в данных точках отсутствуют и, что нормальные напряжения в лапе много больше касательных, расчёт коэффициента запаса у якоря ПДСБ 1710 кг будем выполнять только по нормальным напряжениям.

Схема сил, действующих на лапу в соответствии с [1-5, 7] представлена на рисунке 2.

Так как сила на лапу якоря действует под углом, то нормальные напряжения будут состоять из двух составляющих: <0 - нормальные напряжения от изгиба лапы и о2 - нормальные напряжения от силы её сжатия:

Нормальные напряжения от изгиба

М (х)

о =-2 ,

где М(х) - изгибающий момент в сечении; I - момент инерции сечения; г - аппликата сечения лапы якоря (рисунок 3).

о = о + О

Рис. 2. Расчётная схема лапы якоря

Рис. 3. Форма геометрического сечения лапы якоря Изгибающий момент в сечении лапы равен

Р х (хр - х) при x < x 0 при x>x '

М (х) -

где Рг- изгибающая составляющая пробной нагрузки, действующая на лапы; хр - абсцисса точки действия пробной нагрузки; х - расчётная абсцисса сечения.

Нормальные напряжения от сжимающей нагрузки [8]

* -

2 5

где Рх - сжимающая нагрузка; - площадь поперечного сечения. Максимальный угол отклонения лапы от вертикали составляет ±35° [5,6]. Таким образом, пробная нагрузка Р, будет действовать на якорь так же под углом ±35°, и соответственно, её составляющие можно найти

Рх - 0,5хРео835° Р2 - 0,5 х Рзт35°,

где Р - пробная нагрузка, равная для якоря ПДСБ массой 1710 кг 389 кН.

Пробная нагрузка в соответствии с [1,2] прикладывается на расстоянии 1/3 от носика лапы до оси крепления лапы на веретене, то есть абсцисса её точки приложения может быть найдена по формуле

ХР = Кси + 2 Х(Й2 - Кси ) ,

где йося - положение оси крепления лапы к веретену, измеренное от пятки лапы; ^ - высота лапы [5].

Расчёт напряжений выполнен в таблице 1, из неё следует, что при действии на якорь пробной нагрузки, соответствующей 389 кН и воспринимаемой двумя лапами, их прочность обеспечена.

Таблица 1

Расчёт прочности лапы якоря массой 1710 кг

Наименование Размерность Обозначение Якорь ПДСБ 1710 кг

Сечение А Сечение Б Сечение В

Допускаемые напряжения МПа И 240

Высота лапы м h 1,64

Абсцисса точки приложения силы м xP 1,252

Пробная нагрузка кН P 369

Пробная нагрузка на одну лапу кН 0,5 P 184,5

Угол действия силы град 35

Сжимающая нагрузка кН Px 154,7

Изгибающая нагрузка кН P 100,5

Абсцисса сечения лапы м x 1,252 0,899 0,673

Изгибающий момент в сечении кН м M(x) 0 35,5 58,2

Площадь, см см2 S 112,12 270,03 364,08

Момент инерции сечения лапы см2см2 I 188,49 851,27 1699,86

Ширина сечения см b 5,67 8,16 9,76

Аппликата сечения см z 2,835 4,08 4,88

Нормальные напряжения от изгиба МПа 0 170,15 167,08

Нормальные напряжения от сжимающей силы МПа CT2 13,8 5,73 4,25

Суммарные нормальные напряжения МПа a 13,8 175,88 171,33

Коэффициент запаса прочности k 17,39 1,36 1,4

Коэффициент запаса прочности лапы

И

k = a

где [ст ] = 240 МПа - допускаемые напряжения в лапе.

Однако в эксплуатационной практике есть отдельные случаи, когда возникает изгиб одной из лап якоря. Такая деформация возможна только в случае, когда держащая сила якоря создается при заглублении только одной лапы.

Рассмотрим маловероятный случай эксплуатационный нагрузки, когда зацепление якоря происходит минимально возможным контактом за кончик одной из лап. Для данного случая рассмотрим якорь ПДСБ массой 1710 кг и дополнительно ещё одно сечение Г (см рисунок 1). Расчётная схема для него приведена на рисунке 4 . Результаты расчёта представлены в таблице 2.

Таблица 2

Расчёт прочности лапы якоря массой 1710 кг при действии силы на носик лапы

Наименование Размерность Обозначение Якорь ПДСБ 1710 кг

Сечение А Сечение Б Сечение В Сечение Г

Допускаемые напряжения МПа И 240

Высота лапы м h 1,64

Абсцисса точки приложения силы м Хр 1,64

Нагрузка на одну лапу кН p 70

Угол действия силы град 35

Сжимающая нагрузка кН Px 57,3

Изгибающая нагрузка кН P 40,2

Абсцисса сечения лапы м x 1,252 0,899 0,673 1,45

Изгибающий момент в сечении кН м M(x) 15,6 29,8 38,9 7,6

Площадь, см см2 S 112,12 270,03 364,08 48,59

Момент инерции сечения лапы см2см2 I 188,49 851,27 1699,86 52,57

Ширина сечения см b 5,67 8,16 9,76 4,28

Аппликата сечения см z 2,835 4,08 4,88 2,14

Нормальные напряжения от изгиба МПа 234,63 142,83 111,68 309,38

Нормальные напряжения от сжимающей силы МПа CT2 5,11 2,12 1,57 11,79

Суммарные нормальные напряжения МПа a 239,74 144,95 113,25 321,17

Коэффициент запаса прочности k 1 1,66 2,12 0,75

Из таблицы следует, что при действии на один из носиков лапы нагрузки в 70 кН, соответствующей тяге брашпиля судна, в сечении А возникают напряжения, равные пределу текучести материала. В то же время, в дополнительно рассмотренном сечении Г возникают напряжения выше предела текучести, из-за чего на существующих якорях могут деформироваться лапы. Однолапое зацепление якоря за грунт кончиком лапы, на наш взгляд, абсолютно маловероятно. Скорее всего, пластические деформации одной лапы могут являться результатом других, не имеющих отношения к якорной стоянке, нагрузок. Они могут возникать, например, из-за проектного контакта одной лапы якоря с якорным клюзом или навалом якоря на стенку.

Условная линия пятки лапы

Рис. 4. Расчётная схема эксплуатационного случая лапы

Таким образом, можно сделать вывод, что при разработке новых типов якорей, вероятно, необходимо учитывать не только соответствующие требования Правил [1,2] к их прочности, но реальные нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации судна. Считаем, что требования Правил отечественных классификационных обществ необходимо дополнить, испытаниями или подтверждающими расчётами прочности конструктивных элементов якоря при всех возможных и маловероятных эксплуатационных нагрузках.

Список литературы:

[1] Российский Речной Регистр. Правила. М., 2018 - 1885 с. URL: https://www.rivreg.ru/assets/ Uploads/rules2015/rules062018.pdf

[2] Российский Морской Регистр. Правила. ЧШ. Устройства, оборудования и снабжения. URL: https://lk.rs-dass.org/regbook/getDocument2?type=rules&d=E24119C4-F399-477C-8A44-1C143EAA1C03&f=2-020101-114-3

[3] ТУ 6411-001-03149576-2013 Якоря повышенной держащей силы сбалансированные. Технические условия. Н.Новгород, 2013 - 18 с.

[4] Requirements concerning Mooring, Anchoring and Towing. International Association of Classification Societies - 2014 - 21p.

[5] ГОСТ 25496 Якорь повышенной держащей силы. Технические условия.

[6] Патент на полезную модель 2018101516/, 16.01.2018 Якорь сбалансированный / Патент России на полезную модель 185142, 21.11.2018 бюл. №33 // Роннов Е.П., Тихомиров А.Д., Кочнев Ю.А.

[7] Anchor loss - technical and operational challenges and recommendations 1 DNV GL, Gard and The Swedish Club, March 2016 - 49p.

[8] Учебный справочник по прочности судов внутреннего плавания / Давыдов В.В., Маттес Н.В., Сиверцев И.Н. изд. 2-ое, перераб. и доп. М.: Речной транспорт, 1958 - 755 с.

FEATURES ENSURE THE PERFORMANCE OF THE SHIP'S ANCHOR

Ronnov Evgeny P., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Chair of Design and Technology of Ship Construction Volga State University of Water Transport 5, Nesterov st, Nizhniy Novgorod, 603951

Kochnev Yury A., Candidate of Engineering Science, Associate Professor

of the Department of Design and Technology of Ship Construction Volga State University of Water Transport 5, Nesterov st, Nizhniy Novgorod, 603951

Keywords: anchor increased holding power, operating load, the deformation of the legs of the armature

When designing a new type of ship anchor, it is necessary to take into account the requirements of the Rules of classification societies for its design, material, as well as the strength of various elements. However, in the actual operation of the anchor, loads that are not currently taken into account by normative documents and due to the peculiarities of the behavior of the anchor in the ground, when lifting and entering the anchor cleave and niche are possible. In the article, on the example of the balance anchor of increased holding force, the calculations of the strength of the paw are given, both under the action of the load regulated by the Rules and the limit load that can arise during the operation of the anchor. analyzed the different ways of contact of the armature with the environment. It is shown that the real dangerous load for the paw is less than the trial load during the tests, and as a consequence, it is required to take it into account in the design.

References:

[1] Rossiyskiy Rechnoy Registr. Pravila. M., 2018 - 1885 s. URL: https://www.rivreg.ru/assets/ Up-loads/rules2015/rules062018.pdf

[2] Rossiyskiy Morskoy Registr. Pravila. Chill. Ustroystva, oborudovaniya i snabzheniya. URL: https://lk.rs-class.org/regbook/getDocument2?type=rules&d=E24119C4-F399-477C-8A44-1C143EAA1C03&f=2-020101-114-3

[3] TU 6411-001-03149576-2013 Yakorya povyshennoy derzhashchey sily sbalansirovannye. Tekhnicheskie usloviya. N.Novgorod, 2013 - 18 s.

[4] Requirements concerning Mooring, Anchoring and Towing. International Association of Classification Societies - 2014 - 21p.

[5]. GOST 25496 Yakor' povyshennoy derzhashchey sily. Tekhnicheskie usloviya.

[6] Patent na poleznuyu model' 2018101516/, 16.01.2018 Yakor' sbalansirovannyy / Patent Rossii na poleznuyu model' 185142, 21.11.2018 byul. №33 // Ronnov E.P., Tikhomirov A.D., Kochnev Yu.A.

[7] Anchor loss - technical and operational challenges and recommendations 1 DNV GL, Gard and The Swedish Club, March 2016 - 49p.

[8] Uchebnyy spravochnik po prochnosti sudov vnutrennego plavaniya / Davydov V.V., Mattes N.V., Sivertsev I.N. izd. 2-oe, pererab. i dop. M.: Rechnoy transport, 1958 - 755 s.

Статья поступила в редакцию 17.04.2019 г.