Введение к работе
Актуальность проблемы. Эксплуатационные характеристики судов закладываются при их проектировании, овеществляются при постройке и реализуются в эксплуатации, в существующей, претерпевающей изменения структуре водного транспорта. На всех этапах жизненного цикла судна за ним ведется надзор и контроль, в том числе и внешний. Техническое состояние судов в эксплуатации поддерживается путем осуществления комплекса технико-организационных мероприятий, включающих его контроль, оценку, а также ремонт и восстановление корпусных конструкций. Для анализа и совершенствования эксплуатационно-технических и технико-экономических характеристик судов необходимо комплексное рассмотрение их обеспечения в течение всего жизненного цикла судна в условиях системы водного транспорта. Выбор корректного подхода к рассмотрению указанной комплексной проблемы произведен за счёт: выбора начала исследования; формулирования функций цели для этапов жизненного цикла судна и служб системы водного транспорта; выбора и проработки количественных оценок для служб системы водного транспорта; выдачи конкретных реализаций комплексного подхода на базе частных задач по совершенствованию эксплуатационных характеристик судов с конкретизацией для выбранного объекта исследования - корпусов судов в системе водного транспорта. Это позволило комплексно подойти к проблеме совершенствования системы обеспечения требуемого технического состояния корпусов судов, средний возраст которых в Российской Федерации весьма значителен, что и обуславливает актуальность предлагаемой темы в настоящих условиях и на перспективу.
Проектированию судовых корпусных конструкций, в том числе с учетом статистики повреждаемости, автор посвятил отдельную работу [72], некоторые результаты которой использованы в предлагаемой диссертации.
Цель работы. Обеспечить требуемый (допустимый) уровень технического состояния корпусов судов и их безопасной эксплуатации с наименьшими затратами в течение всего срока службы за счет: формирования обоснованной системы сбора статистической информации по техническому состоянию судовых корпусов; выявления единой методологической понятийной основы описания работы судов в системе водного транспорта; определения количественных оценок описания основных служб водного транспорта; быстрой и достаточно точной оценки ходовых и прочностных характеристик судна (улучшения его контролепригодности), эффективных способов восстановления этих характеристик, кроме этого путем увязки ряда внутренних и внешних для судна факторов: прочностных параметров корпусов судов, текущей загрузки, изменения ходовых качеств, ожидаемых гидрометеорологических условий; оценки эффективности принимаемых решений и некоторых других.
Основными задачами исследования явились:
-исследование информации по накоплению дефектов судовыми корпусами и методологическое обоснование процедур накопления такой информации, оценка корректности подходов и выявленных закономерностей из априорной информации и по результатам предпринятых натурных обмеров выбранных судовых конструкций;
-обобщенное исследование закономерностей изменчивости судовых перекрытий (получения ими дефектов и восстановления технического состояния), обобщение пу-
тей возможного обеспечения допустимого технического состояния у корпусных конструкций в эксплуатации;
-получение алгоритмов количественной оценки работы служб водного транспорта и выявление наиболее оптимального параметра для описания технического состояния судовых корпусов и функций цели этапов жизненного цикла судов и основных служб водного транспорта;
-оптимизация процесса измерений и нормирования дефектов корпусов судов по следующим позициям: для остаточных толщин корпуса судна - по количеству измеряемых элементов и измерений на отдельном элементе; по местным остаточным деформациям – по упрощению и ускорению процесса, в том числе, путем разработки методики определения и нормирования деформаций стенок рамных балок и величины завала профилей холостых балок по замерам деформаций наружной обшивки; для общих деформаций корпуса –по методике их контроля с учетом влияния окружающей среды и собственно наличия этих деформаций;
-получение точных выражений изменения геометрических характеристик сечений (моментов инерции и сопротивления) вследствие наличия износов и остаточных деформаций, как элементов, так и всего корпуса судна в целом и разработка предложений по их ремонту подкреплением и выражений для оценки изменённых характеристик;
- разработка алгоритма совместного проектирования эквивалентного бруса и перекрытий палубы и днища в первом приближении и с учетом ожидаемых повреждений;
-уточнение влияния таких дефектов как повышенная шероховатость и регулярные местные остаточные деформации обшивки на сопротивление воды движению судов и выдача предложений по ремонту или нейтрализации этих дефектов;
-на основе углубленного учета, желательно мониторинга, технического состояния корпуса судна, особенно при внезапных повреждениях: разработка методики эксплуатации судна с учетом его загрузки и выдача рекомендаций по судовождению в ожидаемых гидрометеорологических условиях; оценка эффективности принимаемых технических решений посредством количественных значений надёжности и качества, и некоторых других.
Объектом исследования являются судовые корпуса в сложной кибернетической системе водного транспорта.
Предмет исследования – способы, методы обеспечения допустимого уровня технического состояния судов в системе водного транспорта.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой работы послужили общие закономерности научного познания, современная теория и подходы к исследованию сложных систем, методологические основы оценки надежности и качества продукции. Настоящее исследование имеет комплексный характер, затрагивает и использует методы различных традиционных дисциплин: проектирование конструкций, контроль состояния, освидетельствование, ремонт корпусов судов; сопротивление материалов; строительная механика и прочность корабля; гидромеханика корабля; теория размерностей и подобия; метрология; математическая статистика и обработка результатов наблюдений и т.д.
Научная новизна результатов, полученных соискателем, заключается в следующем:
произведен методологически обоснованный выбор базового параметра (повреждаемости) для описания задач служб водного транспорта; на его основе сформулированы функции цели и пути их достижения отдельными службами водного транспорта; произведено сопоставление сформулированных функций цели эксплуатационных служб водного транспорта с комплексными критериями оценки – безотказность, надежность, качество продукции; получены выражения для аналитического описания надежности в системе с техническим обслуживанием, ремонтом, хранением, а также предложен вариант оценки качества продукции с использованием функции желательности Харрингтона;
произведен анализ информации по повреждаемости судовых корпусов и ее сопоставление для судов внутреннего плавания и морского флота; проработана схема накопления изменений (повреждений и восстановлений) судовыми корпусными перекрытиями, конкретизированы пути повышения судовыми корпусными конструкциями уровня сопротивляемости накоплению повреждений; предложена схема направлений сбора статистической информации по повреждаемости корпусных конструкций; рассмотрены и предложены перспективные варианты получения корпусных конструкций с повышенным уровнем сопротивляемости накоплению повреждений; произведено статистическое исследование повреждаемости бортовых перекрытий барж-площадок проекта №Р-56, установлены статистические взаимозависимости повреждения их элементов; предложен форм-параметр для конструкций грузовых перекрытий и по результатам обсчета известных статистических данных деформационных повреждений грузовых перекрытий (палуба, второе дно) выявлены оптимальные величины значений указанного форм-параметра с точки зрения накопления грузовыми перекрытиями деформаций;
разработана методика определения метрологических характеристик освидетельствования и дефектации корпусных конструкций судов с учетом миграции измеряемых величин и их нормирования для случая контроля остаточных толщин и местных остаточных деформаций корпусов; разработан алгоритм контроля и нормирования остаточных деформаций судового набора по замерам наружной обшивки корпуса; разработана уточненная методика контроля и нормирования общих остаточных деформаций корпусов; предложена приближенная методика оценки остаточных толщин корпусов судов по замерам их гибкой линии;
предложена удобная для расчета модель геометрического сечения рамной тавровой балки с деформированной стенкой (моментов инерции и сопротивления), в том числе с учетом установки подкреплений; разработан уточненный алгоритм учета влияния износов и остаточных деформаций на геометрические характеристики сечений (моментов инерции и сопротивления) профилей и эквивалентного бруса корпусов судов (в частности, показана возможность существенной погрешности в опасную сторону существующего подхода оценки геометрических характеристик сечений балок на базе износа стенки);
предложен расчетный алгоритм оптимизационного проектирования тавровых балок судового набора, разработана модель расчетного проектирования эквивалентного бруса корпуса судна с учетом предполагаемой повреждаемости грузовых пере-
крытий на основе предложенного форм-параметра, характеризующего конструктивную функцию грузовых перекрытий;
разработаны алгоритмы и номограммы для оценки допустимой высоты элементов шероховатости судовой обшивки по длине корпуса судна в зависимости от допустимой величины увеличения сопротивления трения судна и значений увеличения сопротивления трения корпуса судна при наличии общей шероховатости; разработан алгоритм и номограммы для оценки совместного влияния на сопротивление воды движению судна регулярных местных остаточных деформаций и шероховатости поверхности обшивки;
экспериментально произведены: исследование повреждаемости бортовых перекрытий барж-площадок проекта №Р-56; оценка точности экспертного (визуального) метода контроля местных остаточных деформаций; систематический модельный эксперимент повреждаемости судовых балок набора (на малых моделях); оценка влияния местных источников сопротивления внутри счала судов на сопротивление воды; определение картины косого обтекания набегающим потоком трохоидальных гофров типа судовых; исследование точности снятия значения осадок по грузовым шкалам с использованием видеосъемки и осреднения значений фиксируемых колебаний; исследование работоспособности рамных тавровых балок, подкреплённых накладными листовыми элементами; исследование работоспособности перекрытий с предварительным наклоном холостых балок несимметричного профиля в сторону полок (на малых моделях);
предложен ряд методов восстановления и ремонта поврежденных судовых конструкций;
разработаны варианты решения комплексных эксплуатационных задач: оптимизация грузового плана судна с учетом общей остаточной стрелки прогиба корпуса и ожидаемых гидрометеорологических условий плавания (варианты); способ формирования состава судов, минимизирующий вредное влияние повреждений корпусов на сопротивление воды движению; определение допустимого волнения в рейсе с учетом состояния корпуса и его загрузки, а также обратная задача по определению допустимой загрузки по ожидаемым гидрометеорологическим условиям; количественная оценка надёжности и качества судов реализующая в зависимости от выбранных методов и сроков ремонта их корпусов;
- научные разработки, охватывающие более 60% разделов глав диссертации,
опираются или имеют техническую реализацию в полученных автором патентах РФ
на изобретение и полезную модель.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработаны и практически реализованы: методики комплексного сбора данных по деформациям отдельных элементов судовых корпусных перекрытий и восстановления величин нейтрализованных деформаций судовых корпусных перекрытий (по данным замен конструкций); методики контроля технического состояния корпусных конструкций; способы ремонта поврежденных корпусных конструкций; способ формирования составов судов в зависимости от повреждения их корпусов; предложены и использованы конструкция малых моделей корпусных перекрытий для изучения больших деформаций конструкций, а также способ и устройство для турбулизации потока при испытаниях малых моделей в опытовых бассейнах.
Основные положения диссертации использованы в ООО «Судоходная компания «Север», ОАО «Томская судоходная компания», а также в учебном процессе НГАВТ по читаемым автором дисциплинам, в частности, «Устройство и оборудование транспортных средств», «Теория и устройство судна», «Технико-экономическое обоснование эксплуатации судов с повреждёнными корпусами» и др.
Положения, выносимые на защиту, следующие:
функции цели этапов жизненного цикла судна и эксплуатационных служб водного транспорта и пути их достижения, сформулированные на основе выбранного базового параметра (повреждаемости);
аналитическая модель описания надежности элемента в системе с техническим обслуживанием, ремонтом, хранением, а также модель качества элемента (например, судна) в системе водного транспорта на основе функции желательности Харрингтона.
методы контроля остаточных толщин и деформаций корпуса судна;
алгоритмы определения влияния шероховатости и гофрировки обшивки на ходовые качества и расход топлива судном;
оценки влияния местных повреждений (износов и остаточных деформаций) и подкреплений корпусных конструкций на геометрические характеристики сечений (моментов инерции и сопротивления) элементов и корпуса судна в целом;
способы ремонта судовых конструкций и алгоритмы их расчета или оценки целесообразности применения.
решения комплексных задач: проектирование эквивалентного бруса и перекрытий палубы и днища в первом приближении с учетом ожидаемых повреждений; оптимизация грузового плана судна с учетом остаточной стрелки прогиба корпуса, температурных деформаций и волнения; определение допустимого волнения в рейсе с учетом состояния корпуса и данной загрузки судна; способ формирования составов судов и оптимизация технического обслуживания и ремонтно-восстановительные работы по корпусам судов в зависимости от установленного в работе влияния повреждений на ходовые качества судна.
Апробация работы. Основные результаты теоретических исследований докладывались на научно-практических конференциях, семинарах и рабочих совещаниях в течение 1987-2013 гг., в том числе, международной конференции FEBRAT-03, Российской научно-практической конференции «Роль науки и образования в решении проблем водного транспорта», «Сибирской ярмарке», XLIII Крыловских чтениях 2009 г., II Российской научно-практической конференции «Единение науки и практики 2010», Международной юбилейной научно-технической конференции «Обновление флота – актуальная проблема водного транспорта на современном этапе» 2011, Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы инновационного развития водного транспорта» 2013, Международной научно-технической конференции «Роль науки в развитии морского образования» 2015, конференциях вузов г. Новосибирска.
Публикации. Основные теоретические положения, методические рекомендации и практические результаты опубликованы в 165 печатных работах, в том числе: 2 монографиях, 23 патентах РФ, 32 статьях из рекомендованного ВАК списка (29 в личном авторстве, 3 в соавторстве с долей автора более 70%).
Личный вклад. В работе изложены результаты, полученные как непосредственно автором, так и под руководством и существенным вкладом автора на всех этапах,
включая постановку задачи, проведение теоретических и экспериментальных исследований.
Структура и объем работы. Состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 319 наименований и отдельного тома приложений. Основное содержание изложено на 308 страницах машинописного текста, 51 таблице, 201 рисунке, 41 странице списка литературы и оглавления, общим объемом 539 страниц. Том приложений (А-Н) содержит 382 стр.