Диаграммы истинных напряжений углеродистых конструкционных сталей.

e_b – истинная относительная деформация, соответствующая моменту появления шейки при растяжении образца.

Пластический изгиб начинается с момента возникновения пластических деформаций в крайних волокнах изгибаемого бруса. С увеличением изгибающего момента зоны пластических деформаций распространяются к середине бруса и в пределе соединяются у его нейтральной оси. Соответственно при чистом (постоянный изгибающий момент по длине бруса) пластическом изгибе возможны три случая (при последовательной гибке одного и того же бруса – стадии);

1. Упругопластический изгиб происходит при относительном радиусе r> 200 (относительный радиус – отношение радиуса изгиба к начальной высоте бруса ), что соответствует значительной упругодеформированной зоне (рис. 9.2, а). Зависимость (δ, σ) отвечает / участку и началу // участка диаграммы на рис. 9.1.

2. Линейный чисто пластический изгиб соответствует изгибу на средние относительные радиусы r от 3–5 до 200. Напряженно-деформированное состояние принимают линейным, учитывая только тангенциальные напряжения и деформации, соответствующие // участку диаграммы (рис. 9.1). Упругая зона в сечении бруса мала и ею можно пренебречь, считая все сечение бруса деформированным пластически (рис. 9.2, б).

3. Объемный чисто пластический изгиб происходит при r<З-5 и характеризуется значительными пластическими деформациями (увеличивается длина бруса, уменьшается и искажается его поперечное сечение). Напряжения у поверхности бруса соответствуют /// участку (рис. 9.1, а).

Рис. 9.2. Эпюры тангенциальных напряжений при пластическом изгибе бруса.

Для линейного чисто пластического изгиба (рис. 9.2, б) зависимость (σ,δ) можно принять по // участку диаграммы (рис.9.1). Выражая относительное удлинение δ через радиус изгиба R бруса (по известной зависимости δ=Z/R) и пренебрегая δ_Т ввиду его малости по сравнению δ₀ получаем

Нейтральный слой в этом случае можно считать проходящим через центр тяжести поперечного сечения бруса как симметричного, так и несимметричного. Тогда, принимая эпюру тангенциальных напряжений по рис. 9.2, б получаем для бруса переменной ши­рины b_y уравнение изгибающего момента внутренних сил:

,

где S, W и J – моменты: статический, сопротивления и инерции поперечного сечения бруса.

В общем виде изгибающий момент удобно представить так:

здесь – относительный изгибающий момент, в данном случае составляющий

,

где зависит только от формы поперечного сечения и на­зывается коэффициентом профиля (для прямоугольного бруса , для полособульба – 1,6, двутавра и швеллера – 1,2); k₀ – уже известный относительный модуль упрочнения.

При чистом упругопластическом изгибе для прямоугольного бруса (r>200, эпюра напряжений – по рис.9.2 а) относительный изгибающий момент будет

Или с погрешностью до 2% значение m при этом соответствует эпюре напряжений на рис.9.2, в (упругопластический изгиб без упрочнения).

Но гибка обычно осуществляется путем поперечного изгиба – сосредоточенной силой, приложенной посредине листа, лежащего на двух опорах. При малом расстоянии между опор (менее пяти толщин листа) сказывается влияние касательных напряжений.

Свободная холодная гибка корпусных листов на гидравлических прессах производится с помощью универсального штампа. Лист укладывают на две опоры-матрицы. Последовательными нажимами пуансона (штампа) при одновременном передвижении листа ему придается заданная форма. Такой способ гибки принято называть поперечным изгибом.

При определении усилия, гибку листов под прессами можно свести к двум основным схемам (рис.9.3).

Судокорпусные листы чаще имеют малую погибь, поэтому расстояние между опорами матрицы устанавливают достаточно большим. Учитывая это, усилие пресса для холодной гибки листов можно определить из условий равенства моментов внешних ( ) и внутренних ( ) сил:

При гибке по первой схеме коэффициент k зависит от марки стали и степени деформации крайнего волокна. Во втором случае k находится в зависимости также и от площади свисающей части листа, которая деформируется, не подвергаясь непосредственному воздействию пуансона.

Усилие гибки в общем случае

,

где – коэффициент, учитывающий упрочнение материала и зависящий от r для данной марки материала ( можно принять равным единице);

– коэффициент, учитывающий влияние свисающей части листа (рис.9.3 б)

При гибке узких листов (рис. 9.3 а)

Рис. 9.3. Гибка узких (а) и широких (б) листов.

Гибка деталей сопровождается упругими деформациями, ко­торые по окончании ее исчезают. Вследствие этого угол изгиба увеличивается на величину угла пружинепия Δα. Относительный радиус изгиба r бруса до пружинения (радиус инструмента) возрастает до значения его r₀ после пружинения. При линейном пластическом изгибе , чтобы получить радиус готовой детали r₀ необходимо иметь оправку( инструмент) r.

Для малоуглеродистой стали в интервале значений r=5–200 соотношение между r₀ и r таково:

r	5	10	25	50	100	150	200
r0	5,15	10,5	27,8	77,7	155	317	662

Минимально допустимые радиусы гибки устанавливают из условия отсутствия разрушения в наружном слое листа при гибке (R_min≤10h).

Если гибка выполняется по радиусу, меньше минимально допустимого, то необходим термический отпуск для восстановления механических свойств материала.

Полагая проведение гибки листа на границе упругой и пластической зоны, получим

ЛЕКЦИЯ 10

ТЕХНОЛОГИЯ ГИБКИ МЕТАЛЛА

Многие детали корпуса, как листовые, так и профильные, приходится подвергать гибке. Общее число гнутых листовых деталей составляет 10–16%, профильных – 4–6%, а трудоемкость их гибки – соответственно около 32 и 7% общей трудоемкости изготовления деталей.

По форме и сложности кривизны листовые и профильные детали корпуса разделяют на 13 групп (рис.10.1). Листовые детали с погибью в одном направлении (цилиндрической или конической формы) относятся к деталям с простой кривизной, с погибью в двух направлениях – к деталям со сложной (двоякой) кривизной. Классификация форм деталей дает возможность разработать типовые технологические процессы гибки применительно к принятому гибочному оборудованию.

Рис. 10.1. Типовые формы гнутых деталей корпуса

а–листовые; б–профильные; 1–цилиндрические; 2–конические; 3–угловые; 4–коробчатые; 5–сферические; 6–парусовидные, 7–седлообразные;

8–веерообразные; 9–волнообразные; 10–комбинированные;

11, 12, 13–переменной, постоянной и знакопеременной кривизны

В настоящее время в судостроении технологические процессы гибки в основном выполняют в холодном состоянии или с применением местных нагревов. Горячую гибку с общим нагревом заготовок применяют в исключительных случаях, например при не­обходимости согнуть деталь на радиус, меньший предельно допустимого.

Гибка поперечным изгибом (свободная) и в упор (гибка – штамповка) выполняется на гидравлических и механических прессах, валковых листогибочных машинах, фланцегибочных станках, на станках типа ЛГС, в том числе и раскаткой.

В валковых листогибочных машинах гибку листов производят путем непрерывной прокатки заготовки между вращающимися валками с одновременным воздействием изгибающего момента, вызванного сосредоточенной силой (поперечный изгиб). В результате заготовка получает цилиндрическую, а при прокатке по отдельным участкам коническую форму. Применяя прокладки или раскатку, на валковых машинах можно гнуть также детали парусовидной, седлообразной и более сложных форм, при небольшой стрелке продольной и поперечной погиби (Рис. 10.1, 2 )

Рис.10.1. Последовательность изготовления детали конической формы:

а – подгибка кромки; б – гибка средней части.

Рис.10.2. Изготовление листа парусовидиой формы с помощью одной (а) и трех прокладок (б)

По количеству валков листогибочные машины разделяют на трех и четырех валковые. По методу закрепления верхнего валка машины бывают открытого и закрытого типов. У машин открытого типа верхний валок вращается в двух концевых подшипниках, один из которых делается откидным. Это позволяет гнуть замкнутые цилиндрические и конические детали и снимать их, сдвигая вдоль верхнего валка при откинутом подшипнике. Машины закрытого типа имеют промежуточные роликовые опоры верхнего валка, закрепленные на верхней подвижной траверсе. Как правило, машины закрытого типа изготовляют большой мощности со значительной длиной рабочей части валков (до 17 м).

При изготовлении листов цилиндрической и конической формы в трехвалковых листогибочных вальцах (рис. 10.3 а) необходима подгибка кромок листов. Она производится на гидравлическом прессе или на вальцах при помощи подкладного листа или клиновой прокладки (рис 10, 4, 5, 6). На машинах, показанных на рис. 10.3, б и в подгибку кромки можно выполнять перемещением валков.

Рис. 10.3. Листогибочные машины:

трехвалковые с верхним валком, перемещающимся вертикально (а); вертикально и горизонтально (б); в – четырехвалковые, где 1 – верхний валок; 2 и 4 – боковые валки; 3 – нижний валок.

Рис. 10.4. Подгибка кромок листа перед гибкой с помощью подкладного листа: а – перед подгибкой: б – момент подгибки.

Рис. 10.5. Подгибка кромок листов на вальцах с помощью клиновой прокладки: а— перед подгибкой; б—подгибка при помощи верхнего валка.

Рис. 10.6. Схема подгибки кромок листа на вальцах закрытого типа

1 – бугель; 2 – пуансон; 3 – матрица; 4 – изгибаемый лист.

На гидравлических прессах могут быть изогнуты листы всех типов, однако целесообразно их применять для листов сложной погиби, которые не могут быть согнуты на валковых машинах (гибка на последних менее трудоемка). Развиваемые консольными прессами усилия обычно составляют 200—10000 тс. Холодная гибка листов осуществляется с помощью наборов различных штампов, в основном универсальных, имеющих сменный комплект матриц и пуансонов (рис. 10.7).

Нужную форму листа получают последовательным обжимом заготовки в направлении от одной кромки к другой. Для поддержания заготовки и ее перемещения прессы оборудуют местными кранами. На крупнейших прессах используют специальные тележки-манипуляторы.

Для отгибки фланцев применяют также фланцегибочные станки. Лист зажимают между столом и траверсой. К выступающей на ширину "фланца" полосе листа прикладывают консольно усилие с помощью поворотной рамы или накатывающегося вала.

На станках типа ЛГС (рис.10.8) производят гибку листов разнообразной формы, прокатывая их между нажимным диском 3 и ведущим роликом с угловым и радиусным ручьями и с цилиндрической частью. Диск передает на лист 2 сосредоточенное регулируемое усилие. Свободную гибку выполняют на двух опорах с последовательным перемещением прокатываемого листа. В процессе свободной гибки лист приобретает одинарную кривизну. По этому принципу на оснастке с радиусным ручьем изгибают листы простой погиби, на оснастке с угловым ручьем отфланцовывают листы, а на оснастке с фигурным ручьем (при наличии такового) гофрируют листы.

Рис. 10.7. Универсальный штамп для гибки листов под гидравлическим прессом (а); угловой (б) и парусовидный (в) комплекты штампов.

1 – пуансон и 2 – матрица цилиндрического комплекта штампов.

При гибке в упор происходит местная вытяжка волокон, распространяемая во всех направлениях (меньше вдоль и больше поперек движения нажимного диска), при этом лист приобретает двоякую кривизну (рис. 10.8). Основываясь на этом принципе, на цилиндрической оснастке без ручьев гнут листы сложной погиби.

В частности, разработан метод ротационно-локального давления при формообразовании листов парусовидной формы, обеспечивающей принципиальную возможность автоматизации гибочного производства при снижении металлоемкости и энергоемкости оборудования. Опытный станок МГПС-25 используется на Российской судоверфи.

Рис. 10.8. Варианты гибки на машинах ЛГС

Сущность гибки листов местными нагревами заключается в нагреве участка 2 листа источником 1 на половину его толщины (рис.10.9, а). Расширяющийся металл, встречая сопротивление окружающей холодной зоны, испытывает пластические деформации сжатия. При последующем охлаждении возникают усилия F, стягивающие прилегающие зоны и приводящие к изгибу листа. При нагреве листа перемещающимся источником по параллельным линиям 3 (см. рис.10.9, б) он приобретает цилиндрическую форму, а при секторном (по расходящимся прямым) – коническую.

Для гибки листов двоякой кривизны дополнительно нагревают в перпендикулярном направлении те участки листа, на которых надо добиться сокращения длины волокон. Для ускорения процесса рекомендуется предварительно изгибать листы по цилиндрической поверхности на валковых машинах, прикладывать к кромкам листов изгибающие моменты или применять одновременный нагрев несколькими источниками, расположенными на общем передвигающемся вдоль листа портале.

Рис. 10.9. Гибка листов местными нагревами

Штамповка заключается в придании листу пространственной формы с помощью жесткого пуансона, который вдавливает лист по всей поверхности в сопряженную матрицу. Так как количество одинаковых деталей в составе корпуса невелико, применение штамповки сопряженными пуансоном и матрицей обычно нецелесообразно.

Развитие электронно-вычислительной техники и программного управления машинами позволило разработать процесс автоматизированной гибки листов сложной кривизны на многоплунжерном прессе с программным управлением и в 1969 г. в ГДР была изготовлена первая опытная многоплунжерная машина для автоматизированной гибки судокорпусной стали.

Гибка профильных деталей может осуществляться с помощью различных видов оборудования. При свободной гибке поперечным изгибом на горизонтальных гибочных прессах типа «Бульдозер» (рис.10.10) изгибаемый профиль 3 опирается на опоры 2, закрепленные на траверсе 1, и изгибается толкателем 4. Настройка пресса на гибку по требуемому радиусу производится изменением хода толкателя при помощи клина 5, изменением расстояния между опорами винтом 6 и перемещением траверсы с помощью червячных пар 7 и винтов 8. На прессе обычно гнут бимсы, продольный набор, шпангоуты с небольшой кривизной (до 100 мм/м), а также правят профили (устраняют и сварочные деформации).

Рис. 10.10. Схема горизонтального гибочного пресса типа «Бульдозер»

Рис. 10.11 Кольцегибочный станок.

На кольцегибочных станках (рис.10.11), в основном, гнут заготовки с постоянной кривизной, хотя кривизна может быть переменной или знакопеременной. Гибка осуществляется путем неоднократной прокатки заготовки 3 между ведущими 6 и нажимным 2 валками при постепенном увеличении нажима. Для предупрежде­ния потери устойчивости при гибке «на стенку» (если отношение высоты стенки к ее толщине более 7,5) иногда применяют локальный нагрев заготовки индукторами 1 ТВЧ. В этом случае гибка выполняется обычно за один проход. С помощью струи воды 5 сужается зона локального нагрева 4 заготовки и может произво­диться закалка последней.

Профили можно гнуть также на станке ЛГС путем раскатки волокон на цилиндрической части ведущего ролика, а также на гидравлическом прессе в упор и свободной гибкой в специальных штампах.

ЛЕКЦИЯ 11

СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА

Трудоемкость постройки корпуса судна составляет от 20% (для крупных пассажирских или промысловых судов) и до 80% (для барж) от общей трудоемкости его постройки.

Первым этапом работ судостроительного завода при постройке корпуса является его плазовая разбивка. Плазовая разбивка является уточненным графическим или аналитическим воспроизведением формы и размеров корпуса, служащим для изготовления деталей, а также для контроля их сборки.

Детали корпуса изготавливают (вырезают и, при необходимости, изгибают) в основном из листов и профильного проката, прошедших предварительную подготовку. Эта подготовка (предварительные операции) состоит в правке, очистке от окалины и ржавчины или от консервирующих веществ, нанесенных на металлургическом заводе, а также в наложении временного защитного слоя для предохранения металла от коррозии на период постройки корпуса.

Готовые детали комплектуют в соответствии с чертежом собираемого изделия и далее передают в сборочно-сварочный цех для изготовления из них узлов и секций. Некоторая небольшая часть деталей, минуя предварительную сборку, поступает прямо на сборку на построечном месте. Их обычно устанавливают в местах соединения секций или узлов друг с другом.

Вопросы секционной и общей (стапельной) сборки, спуска судна и его достройки в данном разделе дисциплины не рассматриваются.

Подготовку производства в судостроении можно условно разделить на три вида: конструкторскую, материально-техническую и планово-технологическую. Подготовку начинают до начала постройки судна. В настоящее время средняя продолжительность постройки серийного транспортного судна от момента закладки до сдачи составляет около 8–10 месяцев. Однако известны мировые рекорды: во время второй мировой войны грузовое судно длиной около 120 м строилось за 25–30 дней.

Меньший срок постройки требует тщательной и заблаговременной подготовки, которая может занимать до года и больше, считая с момента получения технического проекта судна и до момента закладки корпуса.

Объем и содержание подготовки к постройке заказанного судна могут быть различными. Они зависят от типа судна, его сложности, объема строящейся серии и заданных сроков постройки.

Конструкторская подготовка состоит в разработке спецификаций, рабочих чертежей, заказных ведомостей и программ испытаний. В качестве основы для разработки принимается утвержденный заказчиком технический проект судна или же чертежи судна-прототипа, в которые заводу предлагается внести те или иные изменения.

В ряде случаев в период конструкторской подготовки приходится проводить опытные работы, например испытания моделей корпуса в бассейне, макетирование отдельных отсеков и помещений, испытания отдельных опытных конструкций и узлов. Естественно, эти опытные работы и исследования усложняют и удлиняют подготовку производства к постройке.

Материально-техническая подготовка производства состоит в размещении заказов на все основные материалы, предусмотренные заказными ведомостями, а также на не судовое оборудование, которое изготавливается контрагентами. Заказы оформляют договорами с поставщиками и хранятся на складах, до момента их использования (срок хранения должен быть минимальным).

Планово-технологическая подготовка производства включает разработку ряда документов и необходимых изделий:

–укрупненный технологический план постройки;

–генеральный график постройки;

–принципиальные и рабочие технологические процессы изготовления наиболее сложных изделий;

–заказы на оборудование и специальный инструмент.

Технологический план постройки судна устанавливает определенную последовательность изготовления конструкций корпуса, их сборки на построечном месте и дальнейшего монтажа и отделки всего судна. Технологический план постройки крупных судов содержит разбивку судна па строительные районы, этапы постройки и технологические комплекты.

Наглядное графическое представление о реализации технологи­ческого плана постройки по времени дает генеральный график постройки. При его составлении учитывают: взаимосвязь работ по разным технологическим комплектам и их зависимость друг от друга, общий срок постройки и сроки отдельных этапов, а также возможность использования резервов рабочей силы в отдельных цехах. Схема генерального графика единичной постройки крупного судна приведена на рис. 11.1.

К генеральному графику обычно прилагаются: отдельный график контрагентских поставок, график выполнения работ на отдельных позициях и график необходимого числа рабочих по специальностям. Совокупность этих документов является основанием для планирования на заводе всей постройки данного судна или серии судов. В последнем случае на основании генеральных графиков по каждому типу судов составляют еще годовой график спуска и сдачи (стапельное расписание) судов, предусмотренных всей судостроительной программой завода. На этом графике указывают продолжительность отдельных периодов постройки каждого судна и некоторых контрольных моментов, например закладки, спуска, сдачи судов.

Перечисленные выше планы и графики все же не содержат точных технологических указаний о том, как именно изготавливать и контролировать ту или иную конструкцию. Поэтому на некоторые виды работ и операций при технологической подготовке производства разрабатывают отдельные технологические инструкции.

Рис. 11.1. Схема генерального графика постройки головного или единичного крупного судна.

При выполнении таких работ, как, например, обработка деталей корпуса, сборка и сварка корпуса, испытание непроницаемости и других, цехи должны руководствоваться действующими отраслевыми нормалями едиными для всех заводов судостроительной промышленности.

Широкое распространение получила система сетевого планирования и управления (СПУ), в которой используется сетевой график в качестве информационной динамической модели, отображающей процесс выполнения комплекса операций и его конечные цели.

Сетевой график позволяет четко представить связи между отдельными работами в сложных производственных условиях и установить наиболее рациональную последовательность и зависимость всего комплекса работ. Это дает возможность своевременно предупреждать срывы работ и нарушения плановых сроков.

В сетевых графиках отдельные работы изображаются стрелками, а конечные результаты – кружками и цифровыми индексами. В сетевом графике каждый кружок означает «событие», т. е. конечный результат каких-то работ. Событие не является процессом, его длительность равна нулю. Для того чтобы перейти от предыдущего события к последующему, нужно совершить определенную работу, которая может быть измерена по времени (в днях, неделях, чел.-час).

Оценка времени выражается обычно для судостроения в днях, неделях или месяцах, в зависимости от того, как подробно составляется сетевой график (пример сетевого графика на рис.11.2).

Технологические процессы выполнения операций (инструкции) разрабатываются для сложных и ответственных конструкций. Для типовых процессов пользуются нормативной документацией единой на всех предприятиях судостроительной промышленности.

При разработке технологических процессов устанавливают: оборудование, оснастку, приспособления и инструмент, которые будут использоваться при постройке судна; определяют возможность использования имеющегося оборудования и оснастки, или необходимо заказать (сконструировать) новое.

Рис. 11.2 Сетевой график постройки крупного судна

ЛЕКЦИЯ 12

ОСНОВЫ НОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Трудоемкость постройки судна представляет собой совокупные затраты труда производственных рабочих, выраженные в нормированных часах, на всех стадиях технологического процесса его постройки, например затраты: на изготовление деталей корпуса, сборку узлов, секций и формирование корпуса на стапеле; на монтаж получаемых по межзаводской кооперации (МЗК) и от контрагентов механизмов и устройств; на все виды испытаний и сдачу судна заказчику.

Установлено несколько видов трудоемкости, в том числе – технологическая и фактическая. Трудоемкость измеряют в нормо-часах, а также в человеко-часах. Нормо-час выражает произведение нормированной продолжительности работы в часах на число рабочих, необходимых для выполнения этой работы. Нормо-часы рассчитывают по действующим нормативам (причем в них вместо обозначения нормо-час часто пишут просто час).

Для учета рабочего времени, отработанного всеми рабочими, принято обозначение чел-час. При проектировании цехов и необходимых при этом расчетах используют трудоемкость, выражаемую в человеко-часах, которую получают от деления технологической (нормируемой) трудоемкости на средний процент выполнения норм выработки. Этот средний процент может быть определен как отношение суммарного количества нормо-часов по выполненным за рассматриваемый период (месяц, год) работам к фактически отработанному времени за данный период.

Технологическая трудоемкость служит для количественной оценки оплаты труда производственных рабочих при постройке судна; для расчета производственной мощности участков и цехов; для оценки совершенствования технологии и организации производства на заводах.

Технологическую трудоемкость рассчитывают на заводе одновременно с разработкой рабочих технологических процессов по рабочим чертежам. Она изменяется при совершенствовании технологии постройки судна и организации производства.

Фактическая трудоемкость – фактические затраты труда производственных рабочих, учтенные заводом-строителем судна на основании рабочих нарядов и других документов по всем формам оплаты. Фактическая трудоемкость учитывает снижение нормируемых затрат в результате совершенствования технологических процессов и организации труда, а также дополнительные затраты, возникающие в связи с изменениями в конструкции строящихся судов.

Технологическая трудоемкость рассчитывается укрупненным методом по рекомендуемым измерителям и коэффициентам сложности или путем нормирования технологи­ческих процессов с применением действующих нормативов времени.

Установление трудоемкости методом укрупненного нормирования производится следующими способами:

–по измерителям трудоемкости ( затраты времени по видам работ), например: для сборочных работ – затраты времени на тонну собираемых конструкций, нормо-час/т,;

–по коэффициентам сложности (отношение трудоемкости данной работы к трудоемкости работы, принятой за единицу).

Расчет технологической трудоемкости путем нормирования технологических процессов выполняют по действующим нормативам и нормам времени.

Поэтому основной задачей технического нормирования является установление для конкретных организационно-технических условий затрат времени на выполнение данной работы, т.е. норм времени. Технически обоснованной нормой называется время, необходимое для выполнения заданной работы (операции) при определенных организационно-технических условиях и с учетом рационального использования оборудования и рабочего места. Технически обоснованную норму времени часто кратко называют технической нормой времени.

При расчете технической нормы времени необходимо:

а) учитывать рациональный технологический процесс и уровень развития техники, достигнутый на передовых предприятиях;

б) предусматривать выполнение работ квалифицированными рабочими в нормальных организационно-технических условиях.

Технические нормы времени должны способствовать непрерыв­ному росту производительности труда.

Действующие на предприятии нормы времени по срокам действия разделяют на временные и постоянные. Временные нормы, как правило, опытно-статистические (учитывают сложившуюся на предприятии технологию и организацию производства и не включают опыт передовых производств), назначают на период освоения новой продукции или нового технологического процесса при неустановившейся организации труда.

Постоянные нормы устанавливают для повторяющихся операций при устойчивом производстве, освоенном технологическом процессе и налаженной организации труда. Постоянные нормы времени действуют в течение длительного периода и заменяются более прогрессивными при совершенствовании техники, технологии и улучшении организационно-технических условий производства.

Содержание затрат рабочего времени, их повторяемость весьма разнообразны. При выполнении работы рабочий делает перерывы, в течение которых он по тем или иным причинам не занят выполнением производственного задания. Все затраты рабочего времени делят на нормируемые и ненормируемые

К нормируемым относятся затраты времени, необходимые для выполнения заданной работы, и поэтому включаемые в состав нормы времени. Это: подготовительно-заключительное время; оперативное время; время обслуживания рабочего места; время на отдых и личные надобности.

Подготовительно-заключительное время включает затраты на подготовку к заданной работе и выполнение действий, связанных с ее окончанием: на ознакомление с заданием, чертежами, технологией; на получение инструмента, приспособлений, материалов.

Оперативное время – это время выполнения работы по заданию, оно повторяется, например, при сборке каждого узла. Оперативное время состоит из основного и вспомогательного.

Основное время (технологическое) – это время, в течение которого производится изменение размеров, формы, состояния, вида предметов труда или их взаимного расположения. Бывает:

1) машинное, – если предусмотренные технологическим процессом действия над предметом труда (заготовкой, деталью) выполняются рабочей частью машины (станочная правка листов;

2) ручное, – если эти действия над предметом труда производят без участия машины (слесарная обработка);

3) машинно-ручное, – если действия над предметом труда производят непосредственно рабочие с применением механизмов (сверловка отверстий на станке с ручной подачей).

Вспомогательное время включает затраты на: установку, закрепление, повороты, снятие и перемещение предметов труда.

Время обслуживания рабочего места включает затраты времени рабочим на поддержание рабочего места в состоянии готовности к исполнению работы, предусмотренной заданием.

Время на личные надобности всегда включается в норму времени.

Ненормируемые затраты времени включают время непроизводительной работы и потери рабочего времени, не зависящие от рабочего и зависящие от него. Ненормируемые затраты в состав нормы времени не включаются.

Потери рабочего времени, не зависящие от рабочего, вызываются неорганизованностью, плохим обеспечением рабочих мест. К таким потерям относятся: простои из-за необеспеченности работой, материалом, инструментом.

Потери рабочего времени, зависящие от рабочего, являются прямым нарушением трудовой дисциплины, как-то: позднее начало и раннее окончание работы, посторонние разговоры, отлучки от рабочего места и т. п.

Затраты рабочего времени изучают при исследовании нормируемых производственных процессов и анализе запроектированных технологических процессов. При этом выявляют возможности выполнения технологических процессов с наименьшими затратами времени, а также получают данные для проектирования рационального производственного процесса. Затраты рабочего времени изучают, расчленяя технологическую операцию на трудовые элементы вплоть до переходов, приемов или движений. Это позволяет глубже изучить и рассчитать норму времени, учесть большинство факторов, влияющих на ее величину.

Изучение затрат рабочего времени в судостроении производится на основе данных фотографии рабочего времени, хронометража, фотохронометража.

Фотография рабочего времени проводится на протяжении определенного периода (смены), в течение которого наблюдаются и последовательно записываются все без исключения затраты времени. Фотография рабочего времени служит для: определения причин и величин потерь рабочего времени; выявления причин невыполнения рабочими действующих норм; определения фактической выработки в смену; определения необходимых исходных данных для расчета подготовительно-заключительного времени, времени обслуживания рабочего места и времени на отдых и личные надобности.

Различаются следующие виды фотографий рабочего дня:

а) индивидуальная;

б) бригады рабочих;

в) групповая;

г) выполняемая самим рабочим (самофотография).

Самофотография – проводится с целью привлечения рабочих к активному участию в выявлении и устранении потерь рабочего времени.

Хронометраж – такой вид наблюдения, при проведении которого изучают повторяющиеся элементы ручной и машинно-ручной работы. Хронометраж выполняют с целью получения данных для определения нормативов времени (основного и вспомогательного); изучения передовых приемов и методов работы; проверки действующих норм. С целью более детального изучения процесса труда операции расчленяют до отдельных приемов или их комплексов.

Решающее влияние на эффективность механизации и автоматизации сборочно-сварочного производства оказывает технологичность конструкций.

Под технологичностью судовых корпусных конструкций понимают совокупность их свойств, удовлетворяющих заданным условиям эксплуатации, при оптимальных затратах материалов и сроках изготовления, минимальной трудоемкости и стоимости с учетом особенностей заводов-строителей, ремонтопригодности и простоте обслуживания. На технологичность оказывают влияние тин производства (массовое, серийное, единичное), цикл постройки, действующая технология. Существуют общие требования, определяющие степень технологичности корпусных конструкций и влияющие на механизацию и автоматизацию процессов их изготовления.

Одним из важнейших требований является упрощение формы как всего корпуса судна, так и отдельных его частей. Упрощение формы обводов корпуса позволяет увеличить количество повторяющихся деталей, узлов и секций, повысить эффективность применения средств механизации и автоматизации, сократить номенклатуру оснастки и уменьшить производственные площади для изготовления корпусных конструкций, сократить время и объем технологической подготовки производства.

Большое значение для повышения технологичности корпусных конструкций имеет применение безнаборных (гофрированных) конструкций и максимальное использование прокатных и гнутых профилей вместо сварных. Перспективным направлением повышения технологичности корпусных конструкций следует считать применение модульного принципа при их проектировании.

ЛЕКЦИЯ 13

СУДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

Конструктор при выборе подходящего материала для проектируемой детали (в зависимости от условий ее работы) должен учесть следующие свойства материала:

а) механические качества – временное сопротивление разрыву, предел текучести, твердость, ударную сопротивляемость и другие свойства, характеризующие прочность металла;

б) способность материала хорошо выдерживать технологический процесс при изготовлении данной детали: изгиб, штамповку, ковку и т.п., а также изменения в механических качествах, иногда вносимых обработкой металла

в) стойкость материала во время службы, старение, коррозию, эрозию, влияние на прочность низких или высоких температур: явления хрупкости, ползучести;

г) вес конструкции при выбранном материале и его стоимость.

В каждом частном случае конструктор при выборе материала руководствуется наличием в нем тех свойств из вышеуказанных, которые по условиям работы конструкции являются решающими. В одних случаях условия прочности являются решающими, в других – условия прочности не имеют значения и выбор определяется стойкостью против износа или против коррозии. Существенное влияние на выбор материала оказывает тип судна или механизма. Например, сталь для корпуса судна – это достаточная прочность (временное сопротивление, предел текучести) и способность хорошо выдержать технологический процесс – главные условия при выборе марки стали. Если судно коммерческого типа – выбирают марку простой углеродистой стали, учитывая ее дешевизну и оставляя на втором месте вес корпуса; если судно специальное – прибегают к сталям повышенного сопротивления, более дорогим, ставя на первое место облегчение корпуса и на второе его стоимость; в особых легких и небольших судах вместо стали используют алюминиевые сплавы.

Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержащие до 2.14% углерода. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72. ГОСТ 14959-79). В свою очередь углеродистые стали могут быть:

• малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 025%;

• среднеуглеродистыми содержание углерода составляет 0,25-0,60%;

• высокоуглеродистыми в которых концентрация углерода превышает 0.60%.

Легированные стали подразделяют на:

• низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%;

• среднелегированные, в их состав входят от 2.5 до 10% легирующих элементов;

• высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

Конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

Инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

С особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными свойствами (пермаллой).

В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора стали подразделяют на:

• стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора;

• качественные – до 0.035% серы и фосфора каждого отдельно;

• высококачественные – до 0.025% серы и фосфора;

• особо высококачественные до 0.025% фосфора и до 0.015% серы.

По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления:

• спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами "сп" в конце марки (иногда буквы опускаются);

• кипящие стали - слабо раскисленные, маркируются буквами "кп";

• полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; Обозначаются буквами "пс".

Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на три группы:

• сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора);

• сталь группы Б – по химическому составу;

• сталь группы В – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности, относительное удлинение, предел текучести, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами.

Конструкционные углеродистые качественные стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Они поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов.

Маркируются стали числами 05, 08, 10, 15...85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Спокойные стали (сп) маркируются без индекса, полуспо­койные и кипящие с индексами соответственно «пс» и «кп».

Легированные конструкционные стали бывают качественными, высококачественными и особо высококачественными. Марки легированных сталей состоят из сочетания букв и цифр, обозначающих их химический состав. Две цифры в начале марки показывают содержание углерода в сотых долях процента; буквами обозначают легирующие элементы, а цифрами справа от буквы их среднее содержание (например, сталь 30X13 содержит 0,30 % углерода и 13 % хрома). Если цифpa после буквы отсутствует, то содержание легирующего элемента не превышает 1,5 % (например, сталь 12ХНЗА содержит 0,12 % углерода, хрома менее 1,5 % и никеля 3 %). Буква «А» в конце марки обозначает, что сталь высококачественная. Например, сталь 38Х2МЮА. Буква «Ш» в конце марки обозначает, что сталь особо высококачественная. Например, сталь 10ГНБШ.

Условные обозначения легирующих элементов:

А – азот, К – кобальт, Т – титан, Б – ниобий, М – молибден,

Ф – ванадий, В – вольфрам. Н – никель, X – хром, Г – марганец, П – фосфор, Ц – цирконий, Д – медь, Р – бор, Ч – редкоземельный элемент, Е – селен,

С – кремний, Ю – алюминий.

Общепринятым в мировой практике судостроения и судоремонта является принцип: в качестве корпусной стали может применяться углеродистая или низколегированная сталь (листы, профили и т. п.) – имеющая сертификаты Регистра Российской Федерации или иного классификационного общества. Требования к судостроительной стали изложены в Правилах классификации и постройки морских судов Регистра Российской Федерации (ч. XIII. Материалы) – а также в ГОСТ 5521-86 «Прокат стальной для судостроения».

Основным международным нормативом, в котором приведены требования к химическо­му составу и механическим свойствам судостроительной стали нормальной и повышенной прочности (минимальные требования) являются унифицированные нормы Международной Ассоциации классификационных обществ (МАКО), принятые в 1971 г. Практически с 1973 г. ведущие классификационные общества включили в свои Правила идентичные требования к корпусной стали.

Правилами Регистра Российской Федерации и других классификационных обществ (членов МАКО) для изготовления корпусных конструкций морских судов предусматривается использование судостроительной стали нормальной прочности категорий А. В. D. Е (предел текучести 235 МПа), стали повышенной прочности категорий А32. D32. Е32 (предел текучести 315 МПа), А36 D36, Е36 (предел текучести 355 МПа), А40. D40. Е40 (предел текучести 390 МПа), а также стали высокой прочности.

Для сталей повышенной прочности согласно правилам Регистра Российской Федерации и зарубежных классификационных обществ (включая марки низколегированных сталей по ГОСТ 5521-86) цифры, следующие за буквенными обозначениями, означают минимальный предел текучести в кгс/мм².

Аналогичный принцип обозначения марок углеродистых сталей принят стандартами многих стран, например, согласно немецкому стандарту цифры, следующие за обозначением стали St. означают временное сопротивление. Например, сталь нормальной прочности St 37-3 (Сц=37 кгс/мм² или 360 МПа). сталь повышенной прочности St 52-3 (52 кгс/мм²). В Великобритании судостроительная сталь, поставляемая по Британскому стандарту BS4360. имеет обозначение, включающее номер стандарта, категорию стали и значение временного сопротивления, например BS4360-43A, где А – категория стали. 43 – временное сопротивление (43 кгс/мм²).

Для корпусной стали нормальной и повышенной прочности, поставляемой в разных странах для судостроения и судоремонта, обозначения категорий стали идентичны принятым в Правилах Регистра.

Выплавка корпусной стали осуществляется в кислородных конвертерах с продувкой чистого кислорода сверху, мартеновских или электрических печах или иным методом, допущенным Регистром Российской Федерации.

Спокойную сталь получают путем полного раскисления металла необходимым количеством алюминия, ферромарганца, ферросилиция. Спокойную сталь широко применяют в судостроении. В ней практически отсутствуют неметаллические включения, имеется большая однородность химического состава, мелкое зерно (вследствие раскисления алюминием), что существенно повышает сопротивляемость стали хрупкому разрушению (ударная вязкость стали мелкозернистой в 2-3 раза выше, чем крупнозернистой, особенно при понижении температуры).

Если сталь поставляется термически обработанной, то состояние поставки должно быть указано в сертификате. Вид термической обработки устанавливает изготовитель проката. Вместо нормализации допускается закалка с отпуском, а также процесс контролируемой прокатки. Замена нормализации процессом прокатки с контролируемой температурой должна быть согласована с Регистром, если прокат изготовляется под его надзором. Для стали категории Е всех уровней прочности такая замена не допускается.

Таблица 13.1 Способ раскисления и состояние проката судостроительной стали

Категория (марка стали)	Сталь после раскисления	Вид термической обработки
А. В	Спокойная или полуспокойная	Не требуется
D	Спокойная или полуспокойная	Нормализация
Е	Спокойная, мелкозернистая, обработанная алюминием	Нормализация
А32, D32, АЗ6, D36, Е32, Е36, А40	Спокойная, мелкозернистая. обработанная алюминием	Нормализация

Химический состав судостроительной стали определяется заводом-изготовителем по анализу ковшевой пробы (т.е. от каждого ковша каждой плавки) и приводится в заводском документе о качестве. В маркировку стального проката обязательно входит номер плавки.

Массовая доля углерода (верхний предел) определяет показатели свариваемости и степень вероятности возникновения горячих трещин в зоне термического влияния сварных швов. Правила Регистра, нормы МАКО и других классификационных обществ ограничивают верхний предел массовой доли углерода: сумма массовой доли углерода и 1/6 массовой доли марганца в углеродистой стали нормальной прочности должна быть не более 0,4 %. В стали категории А допускается наиболее высокая массовая доля углерода – 0,23% (при толщине листов до 12,5 мм включительно и всех профилей категории А может быть допущена максимальная массовая доля углерода 0,26%). Нижний ее предел в корпусной стали не регламентируется (например, в толстолистовой стали массовая доля углерода 0,07%). Для судостроительной стали повышенной прочности верхний предел ограничивается – не более 0,18%.

Эквивалент углерода, определяемый но данным ковшового анализа, дает представление об уровне свариваемости металла (стали повышенной прочности, стального литья, легиро­ванных марок сталей). В случае если С>0,45%, требуется подогрев перед сваркой и применение электродов с низким содержанием водорода. Если 0,41<С<0,45, то предварительный подогрев не требуется, но применение электродов с низким содержанием водорода обязательно. В случае С<0,41 предварительный подогрев не требуется, и для сварки стали повышенной прочности можно применять любые электроды одобренного типа.

С повышением массовой доли марганца увеличивается временное сопротивление, возрастают предел текучести (в меньшей степени) и ударная вязкость и сдвигается порог хрупкости в сторону низких температур Содержание Mn в стали нормальной прочности составляет 0,6-1,4%,, в стали повышенной прочности 0,9-1,6 %.

Массовая доля серы и фосфора в стали нормальной и повышенной прочности не более 0,04 % (каждого компонента). В стали для низких температур (до минус 50°С), предназначенной для конструкций ледоколов, предельные значения массовой доли серы должны быть не более 0,025%, фосфора – не более 0,03%. Для сталей с гарантированными свойствами по толщине (Z-сталь) массовая доля серы не более 0.01 %, фосфора – не более 0,03 % Повышенное содержание серы вредно сказывается на свариваемости стали, способствуя образованию горячих трещин (горячеломкости). Повышенное содержание фосфора приводит к хладноломкости стали.

Если расчетная температура конструкции ниже минус 30°С при толщине элемента более 10 мм Правила Регистра предусматривают повышенные требования к химическому составу, термической обработке, механическим свойствам стали (например, испытанию на ударный изгиб при минус 60°С).

Правила Регистра предусматривают три категории судостроительной стали для конструкций, работающих при температуре минус 50°С (категории F32, F36, F40). Одним из характерных требований к механическим свойствам таких сталей является работа удара (KV=45 Дж при минус 60°С).

Применение стали категории А не допускается для конструкций с высоким уровнем кон­центрации напряжений, подверженных динамическим нагрузкам. Для ледоколов применяют сталь категории Е для обшивки и набора в районе ледового пояса но всей длине судна.

Для судостроительных сталей необходимо наличие эффективной защиты от коррозии. Под эффективной защитой от коррозии понимается использование следующих методов:

для подводной части корпуса – комплексная защита с применением лакокрасочных покрытий и электрохимической защиты;

контроль эффективности последней осуществляется с помощью стационарного потенциала, равного 0,85-0,9 В по хлорсеребряному электроду сравнения;

для пояса переменных ватерлиний – любые апробированные в эксплуатации лакокрасочные покрытия со сроком сохранности до 80-85 % после 2 лет службы;

для балластных и грузобалластных танков – комплексные способы защиты от коррозии или лакокрасочные покрытия со сроком службы не менее 8 лег.

При замене конкретной марки стали повышенной прочности другой маркой исходят из равнопрочности, что в первую очередь определяется пределами текучести и работой удара при расчетной температуре.

ЛЕКЦИЯ 14

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Под цветными сплавами в судостроении понимаются , главным образом, сплавы алюминия, титана и красной меди. Цветные сплавы применяются взамен черных там, где они являются незаменимыми вследствие а) большей коррозионной стойкости, б) небольшого удельного веса, в) меньшего коэффициента трения, износа.

Так, например, на судах вследствие большей коррозионной устойчивости в некоторых местах устанавливают вместо стальных трубопроводов медные и вместо стальной арматуры – бронзовую (клапана, краны). Борьба с коррозией – главная причина, заставившая прибегать к более дорогим медным сплавам. Низкий коэффициент трения – другая причина использования в судостроении медных сплавов (подшипники, элементы зубчатых зацеплений в механизмах).

В целях облегчения веса применяют легкие алюминиевые сплавы там, где условия прочности это допускают: поршни двигателей внутреннего сгорания, корпусные детали механизмов.

Алюминий имеет низкую прочность (σ = 45-70 МПа), однако сплавы на его основе вполне конкурентоспособны — деформируемые сплавы при 20°С имеют значение σ=700 МПа, литейные σ=550 МПа. Рабочие температуры – примерно до 300°С, однако порошковые и композиционные сплавы на основе алюминия работают до 400-450°С, поэтому номенклатура изделий очень велика и разнообразна.

Алюминий и его сплавы имеют хорошие литейные свойства, высокую технологическую пластичность и хорошую свариваемость. В судостроении распростра­нена сварка деформируемых сплавов на основе алюминия в среде инертных газов. В ряде случаев допускается применение контактной или электронно-лучевой сварки.

К недостаткам алюминиевых сплавов относится повышенная по сравнению со сталью деформируемость при сварке. Основная причина деформаций – высокий коэффициент линейного расширения алюминия (примерно в два раза больший, чем стали). Практическим неудобством является то, что при нагреве алюминиевые сплавы не меняют цвета (нет цветов побежалости), вследствие чего легко допустить прожоги во время сварки и при правке конструкций местными нагревами горелкой.

Алюминии и его сплавы имеют высокую коррозионную стойкость, так как на поверхности образуется окисная пленка толщиной 100 нм, являющаяся хорошей защитой. Сплавы на основе алюминия в морской и пресной воде по коррозионной стойкости превосходят стали, за исключением коррозионно-стойких.

Наиболее важным свойством алюминия, определяющим его широкое применение, является его небольшая плотность (2,7 г/см³). По теплопроводности и электропроводности он уступает лишь серебру, золоту и меди. Высокая электропроводимость алюминия позволяет применять его как проводниковый материал.

В судостроении технически чистый алюминий применяют при изготовлении переговорных труб, емкостей для хранения пищевых продуктов и воды. Алюминий в виде фольги используется для теплоизоляции судовых помещений.

В качестве основных легирующих элементов во всех алюминиевых сплавах используется преимущественно – металлы (Mg, Сu, Zn, Li) и полупроводник (Si). Введение их в больших количествах оказывается возможным потому, что они обладают значительной растворимостью в алюминии в твердом состоянии. Их вводят для повышения прочности алюминия.

Магний повышает коррозионную стойкость алюминия, слабо снижает его пластичность и в результате обеспечивает такой комплекс свойств сплавов базовой системы А1–Mg (магналии), благодаря которым они являются самыми широко используемыми среди алюминие­вых сплавов. Магналии маложаропрочные и термически неупрочняемые сплавы.

Медь существенно снижает коррозионную стойкость алюминия и любых его сплавов. В этом отношении она является вредной добавкой, и ее содержание ограничивают. Но сплавы, легированные медью, упрочняются в результате термической обработки и являются основой жаропрочных сплавов.

Цинк при введении с другими добавками, особенно с магнием и медью, оказывает существенное влияние на свойства сплавов. Термически упрочняемые сплавы систем Al-Zn-Mg и А1-Zn-Mg-Сu (высокопрочные сплавы) обладают самой высокой прочностью среди всех алюминиевых сплавов.

Литий в качестве основного легирующего элемента все чаще начинает использоваться, обеспечивая повыше­ние модуля упругости и удельной прочности.

Кремний способен обеспечить хорошую технологичность при литье, что достигается за счет образования в сплавах AI–Si (силумины) значительного количества эвтектической составляющей. Силумины являются наиболее широко распространенными литейными сплавами на алюминиевой основе.

К термически неупрочняемым сплавам относятся сплавы алюминия с магнием – магналии (АМг) и марганцем (АМц). Эти сплавы обладают не высокой прочностью(АМц, АМг2, АМгЗ ,АМг6, АМг61) прочностью, хорошей пластичностью и свариваемостью, а также высокой коррозионной стойкостью. Эффект от закалки и старения сплавов АМц и АМг невелик, и их применяют в отожженном состоянии и после наклепа для изготовления судовых деталей, получаемых штамповкой и гибкой (легких выгородок и переборок, труб вентиляции и дельных вещей).

К термически упрочняемым сплавам относят сплавы на основе систем: А1–Zn–Mg; Al–Zn–Mg–Сu (высокопрочные сплавы); Al–Сu–Mg (дюралюмины); Al– Mg–Си–Si (жаропрочные сплавы) и другие.

Дюралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состоянии и плохо – в отожженном состоянии. Хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Сплавы этой группы отличаются весьма хорошими литейными свойствами и применяются для изготовления крупных поковок и штамповок (весом несколько тонн).

Сплавы, содержащие медь, защищают от коррозии плакированием. Плакировка – процесс нанесения на поверхность листов из алюминиевых сплавов тонкого слоя чистого алюминия для предохранения от коррозии (нормальная плакировка, толщина слоя от 2 до 4 % толщины листа). В судостроении используются плакированные листы из сплавов Д16 и АМг61.

Литейные алюминиевые сплавы предназначаются для изготовления фасонных изделий. Конструкционные литейные алюминиевые сплавы по назначению можно условно разделить на группы: сплавы, отличающиеся высокой герметичностью: АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9). высокопрочные, жаропрочные: АМ5 (АЛ19), АК5М (АЛ5). Коррозинно-стойкие: АМч11(АЛ22), АЦ4Мг(АЛ24), АМгЮ (АЛ27).

В зависимости от химического состава литейные алюминиевые сплавы подразделяют на пять групп.

Свойства алюминиевых литейных сплавов существенным образом зависят от способа литья. Механические свойства отливок, полученных литьем в песчано-глинистые формы и по выплавляемым моделям, оказываются более низкими, чем при литье в кокиль, а при литье под давлением свойства повышаются из-за резкого охлаждения.

К новым конструкционным материалам на основе алюминия относят порошковые, гранулированные и композиционные материалы. В настоящее время находят применение сплавы, получаемые спеканием порошка А1. причем ча­стицы порошка (размером 1 мкм) покрыты тонким слоем оксида алюминия. После спекания и деформации получают двухфазный сплав, в котором дисперсные частицы А1зОз (примерно 5-8%) равномерно распределены в матрице А1 не растворяясь в ней. Такие сплавы называются САП. Сплавы типа САП применяют при высоких температурах (до 500°С), поскольку разупрочнение в них, связанное с рекристаллизацией, не наступает почти до температуры плавления А1.

Медь – пластичный металл красного цвета. Температура плавления 1083°С. Плотность меди составляет 8.9 г/см³, предел прочности 200-250МПа. Твердость меди (НВ примерно 35) почти в два раза меньше, чем железа. На воздухе медь окисляется слабо. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на ее поверхности тончайшая пленка оксидов (придающая меди более темный цвет) служит хорошей защитой от дальнейшего окисления. Важными свойствами меди являются хорошая электропроводимость и теплопроводность, высокая пластичность и способность образовывать технологичные сплавы- латуни и бронзы.

Латуни – двойные (простые; или многокомпонентные (легированные) медные сплавы, в которых цинк (Zn) является основным легирующим элементом. Двойные латуни, содержащие до 14 % цинка называют томпаком.

По сравнению с медью латуни обладают более высокой прочностью (в том числе при повышенных температурах), коррозионной стойкостью, упругостью и технологичностью. Это наиболее дешевые медные сплавы.

В специальных латунях для легирования используют элементы, повышающие прочность, коррозионную стойкость и улучшающие антифрикционные свойства (Al. Mn. Sn. Ni. Fe. Si и др.). Для улучшения обрабатываемости резанием и повышения антифрикционных свойств в латуни иногда добавляют свинец. Для предохранения латуней от обесцинкования в агрессивных водах в латунь вводят мышьяк. Фосфор повышает твердость, но снижает пластичность латуней.

Оловянные латуни (Л070-1) называют морскими и широко применяют в речном и морском судостроении (трубки манометрические и в теплообменниках). Практическое применение находят высокомедистые латуни с добавлением алюминия до 4 % (ЛА77-2), которые благодаря однофазной структуре хорошо обрабатываются давлением. Никелевые латуни (ЛН65-5) хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях.

Бронзами называют сплавы меди с оловом (оловянные бронзы), алюминием, кремнием, бериллием, свинцом (безоловянные бронзы). Безоловянные бронзы в зависимости от основного легирующего элемента подразделяют на алюминиевые, свинцовые, бериллиевые и другие.

Кроме основных указанных элементов бронзы дополнительно легируют фосфором, железом, никелем, марганцем, цинком, титаном. Применяют бронзы для получения отливок и полуфабрикатов, изготавливаемых обработкой давлением.

Оловянные бронзы. При содержании олова более 5-8% наблюдается резкое снижение вязкости и пластичности оловянных бронз, поэтому практическое значение имеют бронзы, содержащие только до 10 % олова.

В оловянных бронзах часто присутствует фосфор – повышает жидкотекучесть. износостойкость предел прочности, предел упругости и выносливость бронз, но ухудшает пластичность. Цинк (от 2 до 15 % ) улучшает технологические и механические свойства оловянных бронз и удешевляет их. Никель способствует измельчению структуры и повышению механических свойств и коррозионной стойкости.

Структура оловянных бронз (Бр010Ц2. Бр03Ц12С5. Бр04Ц4С17) полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к структуре антифрикционных сплавов. Имеют высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях, пресной и морской воде

Алюминиевые бронзы (4-5%) – наряду с прочностью и твердостью повышается пластичность, затем она резко падает, а прочность продолжает расти при увеличении содержания алюминия до 10-11%. Они хорошо сопротивляются коррозии и имеют высокие механические и технологические свойства: легко обрабатываются давлением и имеют хорошие литейные качества, отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Их преимущества перед оловянными бронзами - меньшая стоимость и лучшие механические свойства.

Из алюминиево-железоникелевых бронз изготавливают детали, работающие в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400-500°С): части насосов и турбин, шестерни и др. Высокими механическими, антикоррозионными и технологическими свойствами обладают алюминиево-железные бронзы, легированные вместо никеля более дешевым марганцем (БрАЖМц 10-3-1,5).

Свинцовые бронзы используют для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях, широко применяется бронза БрСЗО, которая по сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами имеет теплопроводность в четыре раза больше и поэтому эти бронзы хорошо отводят тепло, возникающее при трении. Бронзу БрСЗО часто наплавляют тонким слоем на стальные ленты (трубы), получая биметаллические подшипники.

Титан – это металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 1668±3°С. Плотность титана составляет 4.5 г/см³. Механические свойства титана сильно зависят от количества примесей которые, при последующем переплаве удаляются. Наиболее вредными примесями являются углерод, кислород,азот и водород резко повышающие твердость, прочность и уменьшающие пластичность. Самая вредная примесь – водород (водородная хрупкость особенно опасна в сварных конструкциях), избавиться от водорода можно отжигом в вакууме. Высокие механические свойства титан сохраняет вплоть до нескольких сот градусов. По удельной прочности в интервале 300-600°С титан не имеет себе равных. Ниже 300°С – уступает алюминиевым сплавам; выше 600°С – сплавам на основе железа и никеля. На поверхности титана образуется защитная оксидная пленка, предохраняющая от коррозии.

Недостатками титана являются его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости. Например, титан может самовозгораться, в некоторых случаях и взрываться, что объясняется его высокой активностью. Титановые сплавы имеют низкие антифрикционные свойства, плохо работают в паре со сталями, имеют невысокую об­рабатываемость резанием. Возникают трудности при сварке титана и его сплавов.

Основной целью легирования титана является повышение механических свойств. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, магнием. Основным легирующим элементом является алюминий, который обычно содержится во всех титановых сплавах.

В промышленной практике большое распространение получили титановые сплавы марок ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ5-1. Основным легирующим элементом в сплавах этой группы является алюминий. С повышением его содержания хотя и повышается прочность, но снижаются пластические свойства сплавов. Эти сплавы хорошо свариваются, позволяют осуществлять горячее деформирование, ковку, прокатку, прессование и штамповку. Поставляются в виде прутков, профилей, труб, поковок и штамповок. Титановые сплавы обладают высокой жидкотекучестью. Из них можно получать плот­ные отливки. Для фасонного литья используются технический титан и титановые сплавы марок ВТ5Л, ВТЗ-1Л, ВТ14Л. К недостаткам литейных титановых сплавов относятся большая склонность к поглощению газов и высокая активность при взаимодействии с формовочными материалами. Поэтому плавку и разливку титановых сплавов ведут в вакууме или в среде нейтральных газов.

Фасонные титановые отливки массой от 0.5 до 2000 кг используют для судового машиностроения, химического, энергетического и нефтегазового оборудования, например, теплообменники, парогенераторы, конденсаторы, охладители и котлы.

ЛЕКЦИЯ 15

НЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Древесина – один из древнейших конструкционных материалов, широко применяемых в судостроении. Натуральная древесина представляет собой анизотропный материал природного происхождения, обладающий относительно высокой механической прочностью, малой объемной массой, хорошей обрабатываемостью, легкодоступностью и низкой стоимостью.

С течением времени масштабы применения древесины как строительного материала постепенно сокращаются, но и в настоящее время она еще используется достаточно широко для изготовления корпусов судов, катеров, яхт и шлюпок; оборудования и отделки помещений; судовой мебели; зашивки изоляции; настилов палуб и др. В составе современного металлического судна удельное значение древесины и древесных материалов составляет около 10 % массы корпуса. Древесина используется также для вспомогательных нужд судостроительного производства: изготовления настила спусковых дорожек, кильблоков, клеток, упоров, строительных лесов, ограждений,. Присущие древесине недостатки – горючесть, низкая биостойкость, влажность– существенно ограничивают ее применение в судостроении.

Древесина изготовляется из лиственных и хвойных пород деревьев. К лиственным относятся береза, бук, дуб, клен, орех, ясень. К хвойным – ель, лиственница, пихта, сосна, кедр. Самой распространенной в судостроении породой древесины является сосна. Она отличается достаточной биостойкостью и прочностью. Сосна применяется для корпусов деревянных судов; настилов наружных палуб; зашивки изоляции и для вспомогательных нужд. По прочности, биостойкости и негорючести лиственница превосходит все хвойные породы древесины. В связи с удаленностью мест произрастания лиственницы от судостроительных предприятий в судостроении она применяется весьма ограниченно. Ель по сравнению с сосной имеет более низкие механические свойства, меньшую стойкость к гниению, при высыхании склонна к образованию трещин. Она ограниченно используется для настилов внутренних палуб, обрешетников, зашивки изоляции и для вспомогательных нужд. Кедр хорошо сопротивляется влаге, его древесина сохраняется в воде. Этот материал применяется для корпусов деревянных судов, настилов, палуб, мебели.

Лиственные породы древесины имеют красивую текстуру и широко применяются для отделочных работ на судах. Текстура древесины во многом определяет ее декоративную ценность. Древесина березы тяжелая, твердая и упругая. Во влажной атмосфере быстро загнивает и разрушается. Используется для отделки кают, мебели, изготовления фанеры. Бук имеет красивую текстуру, хорошо обрабатывается и применяется для отделочных работ. Из дуба вырабатывают тяжелую, прочную, биостойкую древесину с красивой текстурой, используемую для корпусов деревянных судов, мебели и отделки помещений. Ясень по прочности и пластичности превосходит дуб, обладает высокой упругостью и гибкостью. Древесина ясеня применяется для изготовления весел, гнутых деталей корпуса, мебели и столярных изделий. Для изготовления мебели, отделки жилых, служебных, парадных и общественных помещений на судах используют красное дерево, клен, орех, грушу, карельскую березу, карагач и другие породы древесины.

К основным физико-механическим свойствам древесины относятся влажность, объемная масса, прочность, теплоемкость, теплопроводность, электропроводность, Влажность является важнейшей характеристикой древесины, оказывающей существенное влияние на ее физические и механические характеристики. Повышенная влажность способствует увеличению объемной массы и теплопроводности, снижению прочности, загниванию древесины. Древесина, применяемая на судах, должна иметь влажность не более 18%.

Самыми существенными недостатками древесины являются горючесть и подверженность загниванию. Для защиты от загнивания древесину в ваннах или под давлением пропитывают специальными химическими веществами – антисептиками. Для этой цели применяют водорастворимые фтористый и кремний-фтористый натрий, медный купорос, убивающие грибки или замедляющие их рост. Замедление воспламенения древесины или ограничение распространения пламени достигается пропиткой антипиренами. Предохраняющее действие антипиренов определяется их низкой температурой плавления с образованием плотной пленки, преграждающей доступ кислорода к защищаемому материалу. Наиболее распространенными антипиренами являются соли фосфорной, серной и других кислот. Антипирены вводят в древесину глубокой пропиткой водными растворами с последующей сушкой. На судостроительных заводах наибольшее распространение получил способ комбинированной пропитки древесины антисептиками и антипиренами под давлением. Предварительно высушенную до 18–20 % влажности древесину помещают в автоклав, в котором создается вакуум. Вакуумирование позволяет отсосать из древесины воздух, после чего в автоклав подают пропиточный состав. Под давлением 1,5–1,8 МПа древесину выдерживают в течение 12–20 ч. Пропитка антисептиками и антипиренами не снижает механических свойств древесины.

Фанера – листовой древесный материал, получаемый склеиванием трех или более (обычно нечетного числа) слоев шпона с перекрестным расположением волокон в смежных слоях. В судостроении применяют несколько разновидностей фанеры: клееную, облицованную строганым шпоном, декоративную, , бакелизированную.

Клееную фанеру получают из березы, ольхи, ясеня, дуба, бука, липы, осины, сосны, ели, кедра и пихты. Она предназначена для изготовления мебели, зашивки изоляции, настила полов, вспомогательных целей. Для судостроения поставляют фанеру следующих марок: повышенной водостойкости, склеенную фенолоформальдегидными клеями (ФФ); склеенную карбамидными клеями (ФК); склеенную альбуминоказеиновыми клеями (ФБА). Бакелизированную фанеру (ГОСТ 11539–83) выделывают из лущеного березового шпона. Ее рубашку пропитывают искусственными смолами. В зависимости от пропитки различают марки фанеры ФБС и ФБСВ. Фанеру толщиной от 5 до 18 мм применяют для изготовления мелких судов, шлюпок и катеров.

Древесноволокнистые плиты (ГОСТ 4598–86) и древесностружечные плиты (ГОСТ 10632–77) получают горячим прессованием измельченной или расщепленной древесины со связующим. Их применяют для изготовления мебели и отделки помещений.

Пластмассами называют материалы на основе органических соединений с большой молекулярной массой (так называемые высокомолекулярные вещества). Эти органические вещества называют полимерами или смолами. Большинство типов пластмасс является композиционными материалами, которые состоят из нескольких компонентов, взятых в определенном соотношении. Кроме смол в состав пластмасс входят наполнители или армирующие материалы, пластификаторы, отвердители, стабилизаторы, пигменты, ингибиторы и другие компоненты, придающие определенные физико-механические и теплофизические свойства материалу, а иногда в значительной степени влияющие на технологию изготовления или применения материала.

Полимеры являются непременной составной частью – основой пластической массы. Они связывают в единое целое все входящие в состав пластмассы компоненты. Поэтому полимеры называют связующим веществом. В большинстве случаев полимер входит в состав пластмассы (20–40%). Иногда пластмасса состоит целиком только из одного полимера (полиэтилена, полистирола, полиамида, полиметилметакрилата – оргстекла). Высокомолекулярные вещества с заданными свойствами образуются в результате реакции сополимеризации. Она состоит в совместном осуществлении процесса полимеризации (или поликонденсации) нескольких исходных веществ, идущих на образование необходимых полимеров. Появляется новое высокомолекулярное соединение, которому присущи основные свойства входящих в его состав полимеров. Методом сополимеризации можно изменять свойства полимеров в широких пределах. Например, полистирол – жесткий, прочный, но хрупкий полимер, а каучук – мягкое, эластичное высокомолекулярное соединение. В результате сополимеризации этих соединений получают ударопрочный полистирол, из которого изготовляют детали санитарно-технических изделий.

Наполнители – материалы и вещества, вводимые в пластическую массу для придания ей определенных физико-механических, теплофизических, технологических или других свойств, а также с целью уменьшения расхода дорогостоящего связующего. Наполнители и в особенности армирующие материалы образуют в массе смолы своеобразный каркас, значительно повышающий прочность пластмассы. По своей природе различают наполнители минерального и органического происхождения. Минеральные наполнители повышают прочность и теплостойкость пластмассы, улучшают ее диэлектрические свойства, но некоторые из них повышают плотность и хрупкость материала. Органические наполнители (чаще всего содержащие целлюлозу) повышают прочность пластмассы, сохраняют низкую плотность, но снижают теплостойкость и сопротивляемость воздействию влаги. Независимо от природы наполнители не вступают в химическую реакцию со смолой.

Пластификаторы – вещества, вводимые в состав пластмассы для придания ей эластичности и гибкости, снижения хрупкости, улучшения технологических и эксплуатационных качеств. В основном роль пластификаторов выполняют низкомолекулярные вещества, которые совмещают со смолой (дибутил-фталат, камфора, олеиновая кислота, глицерин).

Отвердители – вещества, обеспечивающие переход полимера из жидкого в твердое неплавкое и нерастворимое состояние. К таким же веществам относятся ускорители и инициаторы, добавляемые к полиэфирным смолам для отверждения их при комнатной температуре.

Стабилизаторы – вещества, способствующие сохранению свойств пластмассы при переработке ее в изделие и в процессе эксплуатации этого изделия. Стабилизаторы, в частности, предохраняют пластмассу от старения под воздействием тепла и света.

Пигменты (красители) придают пластмассе определенную окраску. Чаще всего применяют синтетические красители, не растворимые в воде, или окислы металлов. Красители должны быть ярких тонов, не реагировать на изменение температуры, хорошо окрашивать материалы и не вступать с ними в химические реакции.

Термопласты – полимерные соединения, которые под действием тепла и давления без существенных химических изменений становятся мягкими или жидкими веществами и при охлаждении вновь отверждаются. Они способны многократно изменять свое состояние при нагревании и охлаждении. Поэтому термопластичные материалы применяют для изготовления изделий, работающих при низких температурах. В изделия их целесообразно перерабатывать литьем под давлением, экструзией (продавливанием через профилирующие отверстия.

Реактопласты – полимерные соединения, которые при длительном нагревании превращаются в необратимо твердеющую массу. Изделия, в состав которых входит термореактивный полимер, нельзя подвергнуть вторичному формованию. Термореактивные смолы используют для приготовления клеев, лакокрасочных и пропиточных материалов, различных пластмасс, в качестве связующего при изготовлении слоистых пластиков и стеклопластиков. Для этих целей широко применяются смолы: фенолоформальдегидные, аминоформальдегидные, эпоксидные и термореактивные полиэфиры.

В зависимости от назначения или основной области применения пластмассы образуют несколько больших групп. Конструкционные пластмассы предназначены для изготовления корпусных конструкций, корпусов судов, деталей машин и механизмов, работающих под нагрузками. Поделочные пластмассы применяют для изготовления конструкций и деталей неответственного назначения, не работающих под нагрузкой, а также изделий судового оборудования и мебели. К декоративно-отделочным пластмассам относятся материалы, применяемые для отделки и облицовки судовых помещений, мебели. Антифрикционные пластмассы имеют низкий коэффициент трения, что позволяет использовать их в качестве заменителей дефицитных антифрикционных металлических сплавов (оловянистой бронзы, баббита) и для изготовления деталей, стойких к истиранию. Фрикционные пластмассы имеют высокий коэффициент трения и поэтому пригодны для изготовления деталей, работающих в тормозных устройствах (например, тормозные колодки). К звуко- и теплоизоляционным пластмассам относятся вспененные пластмассы (пено- и поропласты) и сотопласты, являющиеся хорошими звуко- и теплоизоляторами. К электроизоляционным пластмассам относятся материалы с хорошими диэлектрическими свойствами. Их используют в качестве электроизоляционных материалов. Противокоррозионные пластмассы применяются для защиты металла корпуса судна, отдельных конструкций, судовых устройств и систем от коррозии. Из пластмасс изготовляют покрытия палуб (например, линолеум). Они входят в состав палубных мастичных покрытий и выравнивающих мастик.

Лакокрасочные материалы покрывают корпус судна как с внешней, так и с внутренней стороны. Окраска – наиболее простой, доступный и относительно дешевый способ защиты корпуса от коррозии, от воздействия агрессивных сред, от обрастания, а для деревянных конструкций – от гниения. Негорючие лакокрасочные покрытия повышают пожарную безопасность конструкций. Окрашенные поверхности имеют хороший внешний вид и декоративность. Окраска выполняется лакокрасочными материалами (ЛКМ). Высыхая, лакокрасочный материал образует на окрашиваемой поверхности – подложке – сцепленную с ней плотную и твердую пленку лакокрасочного покрытия.

По составу ЛКМ представляет собой композицию пленкообразующего вещества и пигмента в совокупности с различными добавками. Пленкообразующее – высокомолекулярное природное или искусственное вещество, основное назначение которого заключается в образовании целостной пленки покрытия. Пигменты – это чаще всего красящие порошки, рассеивающиеся в пленкообразующем и обеспечивающие закрывание окрашиваемой поверхности. Назначение добавок – усилить, а иногда и обеспечить заданные эксплуатационные (служебные) и технологические свойства и характеристики ЛКМ и покрытий.

В соответствии с требованиями к лакокрасочным материалам и покрытиям вырабатываются их свойства. Требования и свойства ЛКМ следует разделять на эксплуатационные общего назначения, т. е. предъявляемые ко всем материалам и покрытиям; специальные, предъявляемые к некоторым ЛКМ; технологические, направленные на упрощение и удешевление процессов подготовки и нанесения ЛКМ, на обеспечение механизированных способов окраски и т. п. Технологические требования предъявляются, в первую очередь, к ЛКМ, находящимся в жидком состоянии (до высыхания). Сложность создания и применения ЛКМ состоит в том, что некоторые требования являются противоречивыми. Например, сцепление пленки покрытия с подложкой должно быть как можно выше и одновременно необходимо максимально ослаблять сцепление с намерзающим на корпусные конструкции льдом.

К числу основных эксплуатационных характеристик покрытия относят гибкость (прочность при изгибе), ударостойкость (прочность при ударе), прочность при растяжении свободной (без подложки) пленки, эластичность, адгезию, влаго, паронепроницаемость, светопроницаемость и радиационную стойкость, теплостойкость и др.

Особое значение среди специальных свойств имеет токсичность ряда покрытий или способность противостоять обрастаниям и убивать микроорганизмы, мелких морских животных, водные растения, оседающие на подводной части корпуса судна. Разрушение представителями водной флоры и фауны слоев покрытия ведет к развитию коррозии, а обрастание – к потере судном скорости, управляемости, маневренности. Нарастание биомассы на корпусе судна составляет в тропических водах 40–100 кг/м². Толщина обрастания может достигать 100–150 мм. В зависимости от количества в 1 кг ЛКМ ядовитого вещества их разделяют по степени вредности для людей и для окружающей среды.

Бетон представляет собой композицию, составленную из затвердевшей смеси цемента, заполнителя, воды. Он является искусственным каменным материалом. Основное достоинство, как конструкционного материала – его дешевизна. Бетоны бывают разными, в зависимости от типов компонентов: малопористые, крупнопористые, ячеистые (по структуре заполнителя), крупнозернистые и мелкозернистые, естественные и автоклавные и т.д. Марка бетона обычно называется по прочности на осевое сжатие, например М400 означает прочность на сжатие 400 кГ/см² (40 МПа). На растяжение прочность бетона обычно в 10-20 раз меньше. На изгиб тоже малая прочность, примерно в 5-10 раз меньше чем прочность на сжатие. Армированный бетон –в арматуре которого предварительно создают натяжение при затвердевании. Такая бетонная конструкция способна выдерживать растягивающие напряжения, поскольку бетон здесь оказывается сжатым и при растягивающих нагрузках в нем лишь уменьшается давление.

Преимуществом железобетона в качестве судостроительного материала является большая экономия в стали, так как на одну тонну грузоподъемности расход стали при постройке железобетонного судна сокращается в 3–4 раза по сравнению со стальными. Для постройки железобетонных судов требуется чрезвычайно несложное оборудование, стоимость которого мала по сравнению со стоимостью оборудования верфей для стального судостроения. Наличие большей части материалов (песок, гравий) на месте сокращает потребность в транспорте. Сравнительная простота работ по постройке железобетонных судов и дешевизна идущих в дело материалов делают в итоге стоимость их дешевле стальных судов. К числу преимуществ железобетонных судов следует отнести легкость ремонта, быстроту постройки, огнестойкость. Основным недостатком железобетонного судна является относительно большой вес корпуса по сравнению со стальным при одинаковой грузоподъемности: его корпус в 1,5–2,0 раза тяжелее стального. Это ограничивает применение и развитие железобетонного судостроения областью специальных плавучих сооружений: доков, паромов, дебаркадеров.