книги из ГПНТБ / Детали из стеклопластика в судовом машиностроении

Величины дисперсий и среднеквадратических отклонений при­ ведены в табл. 31. Как видно из таблицы, величина среднеквадрати­ ческого отклонения S для растяжения составляет ±0,585, а для

нице, находится в пределах 3—4%, рассеяние В г меньше рассеяния модуля и пределов прочности.

Средние величины В х определены методом наименьших квадратов. Статистическая оценка величины В х выполнена по закону боль­ ших чисел из условия теоремы Чебышева:

где • • •> —-последовательность попарно независимых случайных величин, имеющих конечные дисперсии, ограниченные одной и той же постоянной величиной с:

Я£я< с , . . . . D%n ^ c .

170

Экспериментально установленный факт постоянства отношения В = авІЕ в широких пределах изменения механических свойств стеклопластиков СТЭР, СВAM, АГ-4С и др. может быть использован для неразрушающего контроля прочности стеклопластиков непо­ средственно в конструкции. Для этого экспериментально измерен­

ные неразрушающим методом

0,65/?в внешнего радиуса. Разрушение у этих лопастей было за­ фиксировано в сжатой зоне корневого сечения. Максимальные раз­ рушающие напряжения в лопастях, подсчитанные по формуле кон­ сольного изгиба, были приняты нами за предел прочности мате­ риала при сжатии. Значения предела прочности материала и модуля нормальной упругости лопастей различных диаметров приведены в табл. 32.

Средние значения ств и Еух3 определяются по известным формулам

172

Для выборки небольшого объема коэффициент корреляции опре­ делен по формуле

Рис. 95. Изменение прочности материала лопастей греб' ных винтов в зависимости от изменения модуля нор­ мальной упругости.

Средние значения 0В и El3 были найдены по формулам (151) и составляют соответственно 4321 и 3,17-ІО5 кгс/см2. Среднеквадра­ тические отклонения, определенные по формулам (152), составили

Sa = +7-102 кгс/см2, SE — ± 3• 104 кгс/см2.

в готовой лопасти определить модули нормальной упругости ультра­ звуковым методом.

Пользуясь корреляционным уравнением (155), можно по вели­

чине Ela определить сгв для материала лопасти в сжатой зоне и по формуле консольного изгиба подсчитать разрушающую нагрузку. Предлагаемый метод прогнозирования разрушающих нагрузок при­ меняется на практике.

В работе [7 ] изложен метод оценки прочности оболочек, основан­ ный на сочетании неразрушающего (ультразвукового) и разруша­ ющего (по испытаниям образцов материала) способов определения характеристик прочности. Ниже приводится пример применения

173

комплексной методики [7 ] к оценке прочности сферической оболочки из стеклопластика СТЭТ звездной укладки при расположении основы в смежных слоях ткани под углом 30°.

Материал в плоскости укладки ткани при звездном ее располо­ жении относится к транстропным, т. е. изотропен в плоскости слоев ткани (см. гл. II, § 6). Разрушающая величина внешнего гидро­ статического давления Р определяется по формуле, вытекающей из

предел прочности материала при одноосном сжатии в плоскости армирования;

Величина предела прочности ов определялась путем испытания на сжатие образцов материала и составила в среднем 4390 кгс/см2, при диапазоне варьирования от 4020 до 4740 кгс/см2.

По результатам определения модулей упругости ультразвуковым методом получено а = 1,16. Косвенный метод определения d дает при а — 1 d — 2,0. Подставляя эти значения в формулу (156),

получим при 8/RCp = 9 : 70,5 = 0,128 и ов = 4390 кгс/см2

Ртin = 680 кгс/см2.

Экспериментальное определение величины Р разрушающим ме­ тодом на сферической оболочке дало

Рэксп = 650 кгс/см2,

что достаточно близко к прогнозируемой величине. При указанных размерах оболочки потеря устойчивости в процессе испытания была маловероятной.

Разумеется, испытания одной оболочки недостаточно для сужде­ ния о точности предлагаемой методики. Точность методики в значи­ тельной мере зависит от достоверности определения сгв.

Таким образом, с помощью неразрушающих методов (вибрацион­ ного и импульсного) по предлагаемым методикам определяются упругие характеристики стеклопластика в готовых изделиях, уста­ навливается корреляционная связь упругих постоянных с харак­ теристиками прочности материала изделий. Для оценки прочности оболочек применяется комплексный метод неразрушающего контроля.

17 4

ГЛАВА V

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ

В СУДОВОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

§ 17

Общая оценка долговечности и надежности изделий из стеклопластиков

Вопросы надежности и долговечности имеют решающее значение при оценке возможности практического использования новых кон­ струкционных материалов. Надежность применительно к судовым механизмам может быть охарактеризована как их способность нормально функционировать в течение определенного непрерывного времени работы на номинальных режимах при условиях эксплуата­ ции, являющихся спецификационными для данного типа судна или корабля. Долговечность, или срок службы, характеризует общую продолжительность эксплуатации механизма с учетом применения регламентированных восстановительных ремонтов, замен отдельных узлов, элементов и т. д. до полного разрушения или другого предель­ ного состояния, выражающегося в невозможности дальнейшего функционирования.

При рассмотрении проблемы надежности судовых движителей и насосов возникает необходимость учета следующих особенностей: винты и насосы являются нерезервируемыми элементами машинной установки судна, поэтому их надежность должна гарантироваться с максимальной степенью вероятности; малосерийность винтов и насосов не позволяет применить для оценки их надежности метод выборочного статистического контроля, используемого для изделий массового производства. Единственно возможным в данном случае остается использование имеющегося опыта эксплуатации пластмас­ совых винтов на судах действующего флота. С учетом этого рассмот­ рим возможные причины выхода из строя (отказа) судовых пласт­ массовых винтов.

М е х а н и ч е с к и е п о в р е ж д е н и я . Механические по­ вреждения пластмассовых винтов наиболее часто происходят в ре­ зультате ударов о твердые предметы, что является чисто эксплуата­ ционным фактором и определяется состоянием водных бассейнов, навигационной обстановкой, соблюдением правил плавания и т. д. Например, статистика по металлическим винтам показывает, что средний срок службы латунных винтов на речных теплоходах типа «Москвич» составляет не более 2 навигаций (2000—3000 ход. ч), а на морских судах цельнолитые винты из латуни имеют гаранти­ рованный срок службы 4—8 лет календарного времени эксплуата­ ции (не менее 10 000 ход. ч.).

Пластмассовые винты на судах среднего водоизмещения, плава­ ющих в морских бассейнах, имеют средний срок службы не менее

17 5

Таблица SS

Продолжительность эксплуатации пластмассовых гребных винтов на рыбопромысловых судах типа СРТ

3000 ход. ч (табл. 33), а на речных малотоннажных судах (катера,

верхностей винтов является следствием электрохимической корро­ зии и механической эрозии. Роль этих факторов зависит в большей степени от физико-механических свойств материала винта.

Опасными для стеклопластиков являются лишь кавитационные и абразивные разрушения. Поэтому если исключить из рассмотрения винты с высокой интенсивностью кавитации, то можно считать, что поверхностный износ для винтов из стеклопластиков не является ограничивающим фактором долговечности.

Р а з р у ш е н и я л о п а с т е й . Подобные явления могут иметь место вследствие возможных ошибок методики прочностных расчетов, применения некачественного материала, грубых нарушений технологии изготовления и недостаточного контроля качества. Применительно к пластмассовым винтам рассматриваемый фактор имеет большее значение, чем для металлических, что объясняется меньшей освоенностью процесса их производства и более широким комплексом исходных параметров, оказывающих влияние на каче­ ство конечной продукции.

Имеющийся пятилетний опыт эксплуатации показывает, что в подавляющем большинстве случаев разрушение пластмассовых гребных винтов происходит вследствие их механических поврежде­ ний. Стадия заметного поверхностного износа ни на одном из винтов, находившихся в эксплуатации, не достигнута (исключая из рас­ смотрения кавитирующие винты).

Часто встречающиеся у металлических винтов повреждения в виде полной потери лопасти (излом по галтели сопряжения со ступицей) у винтов с пластмассовыми лопастями практически не имеют места. Наиболее обычный характер разрушения лопастей

176

из стеклопластика при ударах — потеря части лопасти в районе непосредственного контакта с соударяющимся телом.

Площадь разрушенной части, как правило, составляет не более 30% от площади лопасти. При этом на сохранившейся части лопасти геометрические элементы не искажаются, что обеспечивает возмож­ ность кратковременной аварийной эксплуатации судна (на малых и средних режимах).

Рис. 96. Пластмассовый гребной винт, поврежден­ ный при ударе о твердое препятствие: а — лопасти без окантовки; б — ло­

пасти окантованы.

На рис. 96, а показан гребной винт диаметром 0,38 м прогулоч­ ного катера, поврежденный в результате удара о твердый предмет. Катер после повреждения винта находился в эксплуатации в тече­ ние 2 недель.

На рис. 96, б изображен гребной винт диаметром 1,5 м (рыболов­ ный траулер), повреждение которого произошло в районе промысла вследствие удара о траловую доску. Судно с поврежденным винтом собственным ходом на средних оборотах двигателя вернулось на базу.

При ударах пластмассовых винтов о препятствия не отмечается погибов валов, поломок редукторных передач или двигателей, что

нередко имеет место при эксплуатации судов с металлическими винтами. Следует также отметить, что аварийные повреждения металлических гребных винтов на судах, эксплуатирующихся в озерно-речных бассейнах СССР, являются довольно частым явле­ нием. Так, например, на судах СЗРП за 3 месяца навигации 1967 г. произошло 11 аварий с винтами, для ликвидации последствий кото­ рых суда были выведены из эксплуатации.

Значительно меньший объем повреждений сопряженных с пласт­ массовыми гребными винтами механизмов при ударах может быть объяснен тем, что энергетические характеристики разрушения стекло­ пластиков существенно отличаются от аналогичных показателей разрушения металлов. У стеклопластиков, по данным [27], доля энергии соударения, расходуемая на местное разрушение, значи­ тельно больше, чем у сталей и других конструкционных ме­ таллов.

В то же время по удельной энергии, идущей на общее деформи­ рование (разрушение) конструкции, наблюдается обратное соотно­ шение. Вследствие этого у конструкций из стеклопластиков наблю­ даются значительно большие местные разрушения при ударах.

Анализ эксплуатационного опыта позволяет сделать вывод, что наиболее существенным недостатком винтов из стеклопластика является относительно низкая ударостойкость кромок лопастей, обусловленная высокой местной энергоемкостью материала. С целью частичного устранения этого недостатка предложен и практически осуществлен способ защиты кромок при помощи металлической окантовки из нержавеющей стали или латуни, устанавливаемой на лопасти в процессе их прессования [44].

Эксплуатационные испытания подтвердили достаточно высокую эффективность этого способа. На рис. 97 показан гребной винт диаметром 0,82 м, у которого две лопасти были выполнены с окан­ товкой, а две остальные — без окантовки. Винт был установлен на буксирном катере «Восток» и эксплуатировался в течение одной навигации в бассейне Ладожского озера, при этом часть времени — в ледовых условиях при толщине льда до 40 см. Винт отработал 760 ход. ч и был снят для дефектации. Как видно из рисунка, неза­ щищенные лопасти получили значительные повреждения, а лопасти с окантовкой находятся в хорошем состоянии и пригодны для даль­ нейшей эксплуатации. На основании этого" опыта было рекомендо­ вано применять защитную окантовку на всех пластмассовых винтах, передаваемых в серийное производство.

Из анализа изложенных возможных причин отказов пластмассо­ вых винтов можно сделать вывод о том, что основным ограничитель­ ным фактором их долговечности являются механические поврежде­ ния вследствие ударов.

Практика эксплуатации машин показывает, что если потеря ра­ ботоспособности обусловливается случайными сочетаниями обстоя­ тельств эксплуатации, т. е. имеет внезапный характер, то кривая плотности распределения сроков службы приближается к условию равной вероятности, имеющему вид горизонтальной прямой [9].

178

Это положение с достаточным основанием может быть применено к анализу долговечности и надежности пластмассовых винтов.

Используем применительно к винтам известное в теории надеж­ ности понятие интенсивности отказов А, (т), выражающейся отно-

Рис. 97. Испытания гребного винта диаметром 0,82 м на катере «Восток» в бассейне Ладожского озера: а — ледовая обстановка в районе испы­ таний; б — состояние винта после

760 ч эксплуатации.

шением числа вышедших из строя изделий в единицу времени Ап/Ах к общему их количеству (N—п), находящемуся в эксплуатации на начало рассматриваемого промежутка: