Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
Обложка автореферата, Общая характеристика работы,
Основное содержание работы, Заключение,
Основные публикации по теме диссертации
На правах рукописи
ПОПОВ Сергей Валентинович
Совершенствование конструкции
и обеспечение технологичности
устройств уплотнения кабельных
трасс на судах
Специальность 05.08.04
Технология судостроения, судоремонта и организация
судостроительного производства
Специальность 05.09.03
Электротехнические системы и комплексы
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2012
Работа выполнена на кафедре Технология судового машиностроения федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный морской технический университет.
Научный руководитель: | доктор технических наук, доцент Герман Галина Валентиновна |
Официальные оппоненты: | ысенков Павел Михайлович доктор технических наук, с.н.с. АО Сигма, Директор по научной работе. Черевко Александр Иванович доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВПО Севмашвтуз - филиал ФГБОУ ВПО СПбГМТУ в г. Северодвинске. Декан факультета повышения квалификации |
Ведущая организация: ФГУ л1 Центральный научно-исследовательский институт Минобороны России, г. Санкт-Петербург
Защита состоится л 6 июня а2012 г. в 14 часов на
заседании диссертационного совета Д212.228.05 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д.3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.
Автореферат разослан л___________________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент | А.Н. Муравьев |
Актуальность: Необходимость повышения технологичности изготовления, монтажа, эксплуатации изделий судового машиностроения в обеспечение безопасности плавания для исключения травм и гибели членов экипажа и пассажиров судов, кораблей и морских сооружений (далее - судов) - актуальная проблема судостроения во всём мире. Аварии на судах приводят к значительному ущербу и способны вызвать экологические катастрофы регионального масштаба.
Огнестойкость судового оборудования непосредственно связана с надёжностью его работы, а технологичность определяет все виды затрат на этапах строительства, эксплуатации, ремонта и модернизации. До настоящего времени решение задачи повышения огнестойкости не рассматривалось во взаимосвязи с обеспечением технологичности.
Увеличение энергонасыщенности судов приводит к непрерывному увеличению мощности судовых электроэнергетических систем, росту протяжённости и объёмов кабельных трасс.
Короткие замыкания в сетях электроснабжения, увеличение мощности, потребляемой электрооборудованием, нарушение режимов его эксплуатации, увеличение тепловыделения при генерировании, преобразовании, передаче и потреблении электроэнергии, использование горючих электроизоляционных материалов - эти и другие факторы приводят к снижению пожарной безопасности при работе судовых систем и носят случайный характер воздействия.
Предотвращение распространения пламени по кабельным трассам через судовые уплотнительные устройства из аварийного помещения в смежные является важным элементом обеспечения пожарной безопасности в цепи возникновения и распространения пожаров на судах.
Теоретические основы возникновения судовых пожаров и наиболее эффективные способы их предупреждения достаточно полно изложены в трудах М.Г. Савицкого, С.И. Радзиевского, В.М. Хнычкина, В.Г. Олимпиева и др. Повышению пожарной безопасности на судах посвящено множество научных работ. Однако новые конструктивные, проектные, организационно-технические и технологические решения, использование новых негорючих материалов не в полной мере решают обозначенную проблему.
Диссертационные исследования посвящены решению этой актуальной научно-практической задачи.
Диссертация выполнена в рамках Федеральных целевых программ Национальная технологическая база России на 2002-2006 годы (ОКР Уплотнение), Развитие гражданской морской техники России на 2009-2016 годы (ОКР Пассив-ВПБ), Ядерная и радиационная безопасность России (ОКР Технология-ЯРБ) и представляет собой научное обобщение результатов, полученных автором в 2005-2011 годы.
Цель диссертационной работы: Повышение огнестойкости и обеспечение технологичности устройств уплотнения судовых кабельных трасс.
Задачи исследований:
Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:
-авыявление определяющих параметров, влияющих на процесс теплопередачи через уплотнительное устройство;
-аразработка теоретической модели, описывающей процесс теплопередачи через уплотнительное устройство;
-аразработка методики оценки огнестойкости уплотнительного устройства на основе теоретических и экспериментальных исследований;
-арешение уравнения процесса теплопередачи с учётом полученных экспериментальных данных;
-аобеспечение обоснованного выбора оптимальных конструкций новых уплотнительных устройств с повышенной огнестойкостью, надёжностью и технологичностью, начиная с ранних этапов проектирования;
-аобеспечение технологичности конструкции судна при решении задачи размещения уплотнительных устройств;
-аразработка технологии монтажа уплотнительных устройств, обеспечивающих совместимость с существующими технологиями и сокращение затрат при новом строительстве, эксплуатации и ремонте судов;
-аразработка методики проектирования перспективных конструкций уплотнительных устройств и мест их размещения, обеспечивающих требуемую огнестойкость и технологичность, для использования на ранних этапах проектирования;
-авнедрение результатов диссертационных исследований в практику проектирования, монтажа, эксплуатации и ремонта новых конструкций уплотнительных устройств.
Предмет исследования: Предметом исследования является конструкция судовых устройств уплотнения кабельных трасс.
Новые научные результаты: В процессе проведённых в диссертационной работе исследований впервые получены следующие научные результаты:
1.аВыявлены определяющие конструктивно-технологические параметры, влияющие на процесс теплопередачи и технологичность конструкции уплотнительного устройства.
2.аРазработана теоретическая модель, описывающая процесс распространения и передачи теплоты через уплотнительные устройства кабельных трасс на судах.
3.аНа основе теоретических и экспериментальных исследований опытных образцов разработаны модель и математические зависимости оценки (прогноза) времени огнестойкости от толщины огнегасящего материала.
4.аНа основе полученных решений уравнений теплопроводности, теплопередачи и компьютерного моделирования определены ограничения конструктивного и технологического характера, влияющие на работоспособность кабельных уплотнительных устройств.
5.аУстановлены связи между конструктивными параметрами и показателями технологичности для использования при создании оптимальных конструкций узлов уплотнения кабельных трасс, удовлетворяющих требованиям огнестойкости.
6.аПредложены новые методические подходы для оценки (прогноза) количества переходов кабелей и площадей, необходимых для размещения устройств уплотнения, удовлетворяющих требованиям огнестойкости и технологичности, начиная с ранних этапов проектирования.
Методы исследования: При постановке и решении сформулированных задач использовались методы математического компьютерного моделирования, уравнения передачи тепла через ограждающие конструкции с использованием основных уравнений классической теплопроводности и теплопередачи (стационарной и нестационарной) и натурного эксперимента на макетах уплотнительных устройств.
Научно-практическая значимость результатов: Полученные в диссертационной работе результаты исследований (методика расчёта параметров уплотнительных устройств, количества и площадей переходов, технология монтажа) рекомендованы к использованию проектными организациями при проектировании уплотнительных устройств, переборок для помещений типа лотсек-убежище для судов и подводных аппаратов.
Апробация работы: Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на межотраслевых научно-практических конференциях Проектирование, постройка и эксплуатация средств океанотехники (Северодвинск-2005), л100 лет подводному флоту (Северодвинск-2006); Военное кораблестроение России (СПб-2006), международной конференции Культура безопасности: практические методы управления (СПб-2011), Всероссийской научно-технической конференции Технические проблемы освоения мирового океана (Владивосток-2011).
Внедрение результатов работы: Основные результаты работы внедрены в ОАО НИПТБ Онега г. Северодвинск при разработке технического проекта судна проекта 23140 и при разработке проектной документации на реконструкцию объекта использования атомной энергии для ОАО ЦС Звездочка г. Северодвинск.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 12 работ (восемь статей и тезисы докладов на четырёх научно-практических конференциях). Работы написаны в соавторстве, доля автора 45-60 %. В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях опубликованы две статьи в соавторстве, доля автора 50 %.
Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников из 98 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 143 страницах текста, включая 57 рисунков и 21 таблицу. Приложения содержат 6 разделов на 39 страницах.
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель исследования и определены основные задачи, решение которых обеспечит её достижение.
В главе 1 выполнен анализ существующих методов и конструктивных решений уплотнительных устройств кабельных трасс.
Представлены результаты анализа и оценки аварийных ситуаций при пожарах на судах. Ежегодно пожары на судах наносят значительный материальный ущерб, приводят к экологическим катастрофам, к травмам или гибели членов экипажа и пассажиров судна.
Судно обладает рядом особенностей с точки зрения условий возникновения и развития пожара. Основными причинами возникновения пожаров являются: применение на судах большого количества горючих материалов; наличие источников зажигания, способных воспламенять горючие материалы; наличие в воздухе судовых помещений окислителя.
Для уменьшения степени опасности пожара и снижения величины ущерба от пожара необходимо применять конструктивные и организационные профилактические меры по предотвращению пожара на судне, а в случае его возникновения, по своевременному обнаружению, локализации и тушению.
Недостаточная защищённость судовых кабельных трасс от воздействия тепловых и динамических нагрузок, вызванных пожарами и сопровождающими их взрывами, приводит к необходимости создания новых конструкций уплотнительных устройств, использованию новых материалов, обеспечению их технологической приспособленности к монтажу и технологичности на этапах нового строительства, эксплуатации, ремонта и модернизации судов.
Рассмотрены существующие конструктивные решения устройств уплотнения кабельных трасс. Необходимость герметизации мест прохода кабелей через переборки и палубы определена требованиями: Правил Российского Морского Регистра и Речного Регистра судоходства; стандартов судостроения ОСТ5Р.6066, ОСТ5Р.6103, ОСТ5Р.6183; документами Международных классификационных обществ.
В отечественном судостроении наиболее часто используются групповые сальники и кабельные коробки (рис. 1, 2).
ОАО НИПТБ Онега при непосредственном участии автора было разработано уплотнительное устройство ЯНМИ.305318.023 (рис. 3), которое отличается способом крепления к переборке и уплотнением кабелей с помощью сальников.
На рис. 4 приведён внешний вид модульного устройства повышенной пожарной защищённости шведской компании MCT Brattberg.
Рис. 1 | Рис. 2 | Рис. 3 | Рис. 4 |
Проведённый в диссертационном исследовании анализ показал, что температура в районе очага пожара на необогреваемой стороне переборки может достигать 600 С в течение 10 - 15 мин, при этом создаётся интенсивное тепловое излучение, воздействующее на горючие материалы и оборудование, расположенное на переборке или в близости от неё.
Применяемые в отечественном судостроении кабельные уплотнительные устройства и заполняющие их материалы при длительном воздействии высоких температур перестают выполнять своё функциональное назначение и могут допустить прохождение пламени и дыма из аварийного помещения в смежные.
Зарубежные устройства компании MCT Brattberg могут решать вопросы повышения надёжности и безопасности кабельных трасс, содержащих малое количество кабелей одного диаметра. При большом количестве кабелей значительно усложняется процесс монтажа, прокладки и уплотнения отдельных кабелей, входящих в пучок.
Совершенствование конструкции судовых уплотнительных устройств должно быть направлено на обеспечение надёжности, долговечности и безопасности кабельных трасс при воздействии на них агрессивных факторов пожара (пламени, температуры и давления), что должно основываться на следующих основных положениях:
-аустройство должно обладать лучшими противопожарными свойствами по сравнению с применяемыми уплотнительными конструкциями;
-аустройство должно быть устойчиво к воздействию тепловых и динамических нагрузок;
-аустройство должно быть технически реализуемо с учётом использования существующих технологий и материалов, применяемых в судостроении, совместимо с существующими электромонтажными технологиями, быть простым и надёжным в эксплуатации;
-аустройство должно быть технологичным и ремонтопригодным;
-аустройство должно быть безопасно для экипажа судна и для рабочих, производящих монтаж.
Уплотнительное устройство ЯНМИ.305318.024 (рис. 5), удовлетворяющее предъявляемым требованиям, было разработано специалистами ОАО НИПТБ Онега на основе диссертационных исследований. Оно отличается от применяемых в судостроении устройств корпусом сферической формы и используемыми материалами.
Представлены результаты анализа основных факторов, влияющих на работоспособность устройств уплотнения кабельных трасс. Подробно рассмотрены основные факторы пожара и их влияние на работоспособность уплотнительного устройства.
| Рис. 5 | Проанализированы параметры и показатели работоспособности и технологичности конструкций устройств уплотнения кабельных трасс, выполнен конструктивно-технологический анализ и выявлены связи между показателями технологичности и конструктивными характеристиками устройств уплотнения, определяющими их работоспособность. |
Произведён выбор конструктивных параметров уплотнительных устройств. Выполнена оценка и анализ показателей технологичности новых конструкций уплотнительных устройств.
Для оценки и сопоставительного анализа выбраны пять конструкций уплотнительных устройств:
-аi=1 - двухсекционная кабельная переборочная коробка (рис. 2);
-аi=2 - сдвоенный групповой сальник для плоской переборки (рис. 1);
-аi=3 - модульное устройство компании MCT Brattberg (рис. 4);
-аi=4 - уплотнительное устройство ЯНМИ.305318.023 (рис. 3);
-аi=5 - уплотнительное устройство ЯНМИ.305318.024 (рис. 5).
Для сравнения технологичности конструкций уплотнительных устройств по основному показателю трудоёмкости учтено следующее:
-атехнология изготовления деталей устройства освоена;
-акоэффициент, учитывающий возможное появление неучтённых операций и работ, принят равным 1,05;
-атрудоёмкость сдачи устройства службе качества принята в размере 5а% от трудоёмкости изготовления.
В соответствии с требованиями ГОСТ 14.205 предложен комплексный показатель технологичности в виде
, (1)
где 1, 2, 3 - весовые коэффициенты составляющих технологичности конструкции уплотнительных устройств; - суммарная трудоёмкость изготовления устройства, нормо-ч; - базовое значение трудоёмкости изготовления уплотнительных устройств, нормо-ч, определяемое как среднее для вышеуказанных конструкций i=15 по выражению , =73,8 нормо-ч; - коэффициент унификации конструкции i-го уплотнительного устройства; - коэффициент сборности конструкции i-го уплотнительного устройства.
Расчёты коэффициентов унификации и сборности были выполнены на основе конструкторской документации.
Значения весовых коэффициентов 1, 2, 3 определены методом экспертных оценок с учётом выражения ; 1а=а0,8; 2а=а0,09; 3а=а0,11.
Полученные значения комплексных показателей технологичности приведены в табл. 1.
Таблица 1
i=1 | i=2 | i=3 | i=4 | i=5 |
Анализ полученных значений показывает:
-атрудоёмкость изготовления разрабатываемого уплотнительного устройства (i=5) ниже, чем у сальников и кабельных коробок (i=1; i=2), что вызвано меньшим количеством технологических операций при изготовлении, но выше, чем у устройства фирмы MCT Brattberg (i=3) и устройства ЯНМИ.305318.023 (i=4), что вызвано увеличением трудозатрат на механическую обработку и слесарно-монтажные операции;
-акоэффициент унификации разрабатываемого устройства (i=5) ниже, чем у остальных конструкций, поскольку разработка является принципиально новой, не имеющей прямых аналогов на сегодняшний день;
-акоэффициент сборности разрабатываемого уплотнительного устройства (i=5) ниже, чем у остальных, поэтому возможна доработка конструкции с целью увеличения использования числа стандартных элементов;
-атехнологичность вновь предлагаемого устройства (i=5) уступает технологичности фирмы МСТ Brattberg (i=3), при этом у вновь разработанной конструкции достигнут более высокий уровень противопожарной защиты, чем у конструкций, применяемых в отечественном судостроении.
Предложена оценка показателя технологичности конструкции судна при определении мест размещения уплотнительных устройств, начиная с ранних этапов проектирования судна.
Оценка включает решение задач прогноза количества и площадей переходов кабелей через непроницаемые переборки. Для решения указанных задач в соответствии с теоретическим чертежом судна, чертежами конструкций корпуса, схемами расположения помещений составляется (перечисляется) множество шпангоутов {r}; множество палуб {h}; множество помещений {k}; коды координат борта (ЛБ, ДП, ПрБ) - {s}.
Множества {r}, {h}, {k}, {s} должны быть перечислены в порядке их возрастания. Если на судне принята буквенная или буквенно-цифровая индексация, то при составлении множеств удобно перейти к цифровому коду, соответствующему упорядоченному буквенному (или буквенно-цифровому) обозначению. За начало отрезка кабеля принимается координата, соответствующая меньшему номеру .
Диаграмма распределения отрезков кабелей строится в табличном и графическом виде рис. 6.
Диаграммы распределения отрезков магистральных (силовых и сигнальных) кабелей вдоль продольной оси судна дают возможность оценить количество кабелей, проходящих в местах расположения непроницаемых переборок судна .
Площади переходов кабелей через непроницаемые переборки могут быть оценены на основе выражения
, (2)
где - среднестатистическое значение площадей кабельных коробок, приходящееся на один отрезок кабеля, определяется эмпирическим путём, как среднестатистическое по построенным судам; i - порядковый номер шпангоута; i = ; - номер шпангоута, где размещена j-ая непроницаемая переборка; - количество кабелей, проходящих через непроницаемую переборку судна.
Рис. 6
Разработаны требования по обеспечению технологичности конструкции уплотнительных устройств, методика оценки технологичности конструкции судна для использования на ранних этапах проектирования, а также сформулированы основные требования по технологии монтажа уплотнительного устройства.
В главе 2 представлены результаты теоретического исследования влияния конструктивно-компоновочных параметров переборочного кабельного уплотнительного устройства на время огнестойкости.
При определении целевой функции совершенствования конструкции устройства уплотнения кабельных трасс отмечено, что конструкция устройства на системной основе должна отвечать большому количеству требований, связанных с её эксплуатацией (нормальные и аварийные условия), обеспечивая её высокое качество и надёжность, при этом технология изготовления, эксплуатации и ремонта должна быть совместимой с существующими технологиями судостроения и электромонтажа, а также варьируемой под перспективные требования вновь строящихся судов. Основными конструктивно-технологическими параметрами приняты геометрические размеры, свойства материалов деталей и заполнителей (компаунда, огнегасящего порошка), значения их толщин. Исследованиями показано, что даже незначительное изменение значений конструктивных параметров может существенно изменить качество уплотнительного устройства.
В результате теоретических исследований в подразделе 2.2 установлены динамические зависимости толщины огнегасящего материала уплотнительных устройств от параметров и показателей технологичности. В диссертационной работе получена расчётная модель, позволяющая оценить распределение температуры уплотнительного устройства (T, С) в зависимости от диаметров первой и второй оболочек (рис. 7).
На рис. 7 приняты обозначения: Tu - температура источника теплоты; T1, T2, T8, T7 - температуры наружной и внутренней поверхностей внешней оболочки с обогреваемой и необогреваемой стороны; T3, T4, T6, T5 - температуры наружной и внутренней поверхностей внутренней оболочки с обогреваемой и | Рис. 7 |
необогреваемой стороны; , , - коэффициенты теплопроводности материала оболочек, среды между первой и второй оболочек и среды внутри второй оболочки; , - толщины первой и второй оболочки;
- толщина слоя среды между первой и второй оболочками; d1, d2 - внутренние диаметры первой и второй оболочек.
При этом удельный тепловой поток через многослойную плоскую стенку , Вт/м2, определяется соотношением
. (3)
Полный тепловой поток для шаровых тел со стороны обогрева ,аВт, определяется по формуле
, (4)
где , Вт/м2.
Вместе с тем, в условиях стационарной теплопроводности тепловой поток ,аВт, через обогреваемую часть сферической оболочки от
(R1 + δ1) до R1 определяется соотношением
. (5)
Из условия равенства тепловых потоков Q1 = Q2 получены выражения
,
.
Или для коэффициента учёта формы
.
Из соотношения равенства тепловых потоков предложено расчётное выражение для значения температуры на необогреваемой поверхности
Т8, С
(6)
где аЦакоэффициент теплоотдачи, учитывающий кривизну обогреваемой части уплотнения, Вт/м2С.
Соотношения (3)Е(6) позволили выполнить компьютерное моделирование времени огнестойкости опытного образца с использованием метода конечных элементов. Для компьютерного моделирования была использована программа FlowVision, для построения трёхмерной модели уплотнения - программа SolidWorks. Целью теплового расчёта принято определение тепловых потоков и изменение распределения температур элементов переборочного уплотнения за требуемый временной интервал.
Принципиальная схема компьютерного моделирования приведена на рис. 8.
На рис. 8 используются обозначения: 1 - кабельная трасса; 2 - уплотнительное устройство; 3 - пламя; 4 - огнетушащий порошок; 5 - судовая переборка; | Рис. 8 |
Графики зависимости температуры от времени в точках А (граница внутренней сферы с переборкой) и С (центр внутренней сферы) приведены на рис. 9, 10 соответственно.
Компьютерное моделирование показало, что предлагаемое конструктивное решение уплотнительного устройства позволяет обеспечить требуемое время огнестойкости.
Рис. 9 - График зависимости | Рис. 10 - График зависимости |
Выполненные расчёты позволили определить ограничения конструктивно-технологического характера, влияющие на условия работоспособности уплотнительных устройств, причём технологические ограничения предлагаемой конструкции уплотнительного устройства определены местом установки устройства на переборке и объёмно-планировочными решениями помещения, в котором устройство будет расположено.
На основе моделирования процессов огнестойкости с учётом расчётных значений конструктивно-технических параметров и технологических требований разработана конструкция макетного образца уплотнительного устройства, удовлетворяющая требованию огнестойкости.
С целью подтверждения теоретических результатов исследований изготовлены макетные образцы (рис. 11, 12), подвергнутые в дальнейшем экспериментальным исследованиям.
В подразделе 2.5 представлено описание опытных образцов уплотнительного устройства в виде макетов, созданных для проверки результатов теоретических исследований.
Глава 3. С целью исследований работоспособности конструкции уплотнительных устройств в условиях, приближённых к судовым, выполнены и приведены результаты экспериментальных исследований макетных образцов, как элементов противопожарной защиты.
В подразделе 3.1 приведены результаты экспериментальных исследований конструкций уплотнительных устройств как элементов противопожарной защиты.
Приведено описание программы проведения эксперимента, разработанной в соответствии с требованиями Правил Регистра, предъявляемых к конструктивной противопожарной защите, применяемой для обеспечения пожарной безопасности судов различного назначения, и резолюции ИМО А.754 (18) Рекомендации по методике испытаний на огнестойкость перекрытий классов А и В.
В подразделе 3.2 приведено описание стенда в составе: огневая печь, экспериментальная установка для работы с образцом, система автоматического контроля температуры (САКТ), сопряженная с ПЭВМ.
| Рис. 11. Уплотнительное | Разработана методика экспериментальных исследований, которая включала следующие этапы: -аподготовка образцов и экспериментального стенда к испытаниям; -асоздание стандартного температурного режима в печи; -апроведение экспериментальных исследований; -аоформление результатов экспериментальных исследований. Формирование отчётных материалов выполнялось в соответствии с руководством пользователя программного обеспечения САКТ. | |
Приведено описание методики оценки точности экспериментальных данных. Представлены основные результаты экспериментального исследования макетных образцов, подтвердившие совпадение теоретических расчётов огнестойкости (рис. 9, 10) и фактических графиков изменения температур во внутреннем объёме и вне устройства уплотнения с обогреваемой и необогреваемой сторон. Результаты испытаний одного из образцов, полученные и обработанные с использованием системы САКТ в табличную форму, приведены в приложении 4. | ||
| а) основание с внутренними корпусами | б) образец в сборе | |
Рис. 12 | ||
В подразделе 3.3 приведены результаты огневых испытаний макета уплотнительного устройства повышенной надёжности.
По результатам обработки результатов испытаний сделаны выводы.
1.аПринятая теоретическая модель адекватна результатам проведённого натурного огневого эксперимента.
2.аРезультаты огневых испытаний макета уплотнительного устройства показали высокую сходимость теоретических результатов с экспериментальными данными.
3.аЭкспериментальные данные хорошо сглаживаются полиноминальной линией тренда (рис. 13, 14).
Рис. 13
Рис. 14
В подразделе 3.4 выполнен анализ, обоснование и выбор оптимальных конструкций уплотнительных устройств по результатам натурных испытаний с учётом расчётных значений комплексного показателя технологичности для образцов, приведённых на рис. 1 Е5.
Комплексная оценка качества выполнена на основе метода экспертных оценок. Протоколы оценок экспертов приведены в приложении 6.
Комплексная оценка качества уплотнительных устройств показала, что технический уровень разработанного уплотнительного устройства сферической формы находится выше уровня верхней границы качества (рис. 15).
Рис. 15
Глава 4 посвящена разработке методики проектирования уплотнительных устройств и технологии их монтажа.
В подразделе 4.1 представлена методика обеспечения технологичности конструкции судна при определении мест размещения новых конструкций уплотнительных устройств.
При определении оптимальных мест размещения уплотнительных устройств на ранних этапах проектирования судна требуется учитывать, во-первых, необходимость обеспечения заданных показателей надёжности и безопасности судовых корпусных конструкций, а, во-вторых, экономическую целесообразность внедрения разрабатываемых уплотнительных устройств. Кабели и уплотнительные устройства относятся к элементам судовых электроэнергетических систем, замена которых в период проведения заводского ремонта крайне трудоёмкая и дорогостоящая операция. Следовательно, при разработке уплотнительных устройств необходимо обеспечить срок службы, равный сроку службы судна.
Указанное требование определяет эксплуатационную технологичность изделия. Применённые в уплотнительном устройстве материалы обеспечивают требуемый цикл эксплуатации судна. Отличительной особенностью вновь разработанного устройства является наличие огнетушащего порошка, который должен быть заменён при размещении судна в заводской ремонт.
Для определения площадей переходов кабельных трасс через непроницаемые переборки до этапа разработки сетки кабельных трасс необходимо получить диаграмму распределения отрезков кабелей вдоль продольной оси. Для её построения предложена к использованию методика, рассмотренная в главе 1 диссертации. В настоящем исследовании расчёты с использованием данной методики были выполнены для подводной лодки проекта 877ЭКМ. Полученные результаты приведены на рис. 6.
Площадь переходов кабельных трасс через прочные переборки также определена по вышеупомянутой методике. Уточнены среднестатистические значения площадей кабельных коробок, приходящиеся на один отрезок кабеля, при использовании предлагаемого уплотнительного устройства сферической формы. Выполненное сравнение площадей размещения уплотнительных устройств различных конструкций показало, что применение уплотнительного устройства сферической формы обеспечивает уменьшение площади выреза на 5,16 %, что подтверждает обеспечение технологичности конструкции судна.
В процессе определения конструктивных характеристик предлагаемого уплотнительного устройства были решены следующие задачи:
-аопределение радиуса внутреннего корпуса;
-арасчёт критического давления для внутреннего корпуса;
-аопределение радиуса внешнего корпуса.
В основу расчётов заложена модель поведения уплотнительной конструкции во время и после пожара при условии, что уплотнительная конструкция должна обеспечить непроницаемость и герметичность с проходящими через неё кабелями.
Условие прочности для внутреннего корпуса уплотнительного устройства, находящегося под наружным давлением воды, может быть записано в виде
kp = qкр/qнар kт, (7)
где kр - расчётный коэффициент запаса прочности; qнар - наружное давление на корпус, Па; qкр - критическое давление, при котором происходит потеря устойчивости сферической оболочки, Па; kт - требуемый коэффициент запаса прочности, принимаемый kт = 2.
Для определения радиуса внешнего корпуса уплотнительного устройства R1, м, выполнен расчёт толщины слоя среды между первой и второй оболочками (огнетушащего порошка) , м. Для расчёта использована формула (6), преобразованная к виду
. (8)
В подразделе 4.2 рассмотрены вопросы технологии монтажа устройств уплотнения. Для отработки технологии монтажа уплотнительного устройства была разработана инструкция, которая была применена при монтаже опытных образцов. Укрупнённая схема сборки устройства с одной стороны переборки приведена на рис. 16 а)Еж).
а) | б) | в) | ||
г) | д) | |||
е) | ж) | |||
Рис. 16
Технологический процесс монтажа существенно не отличается от принятой технологии монтажа кабельных коробок и сальников.
Операции по вскрытию вырезов, обработке кромок, доработке корпусов устройств под конкретную схему прокладки кабелей выполняются аналогично операциям с существующими уплотнительными устройствами. Применение силиконовых герметиков также не вносит принципиальных изменений в технологию герметизации. Технологии прокладки кабелей, сборки уплотнительных устройств полностью совместимы с принятыми технологиями на судостроительных заводах и электромонтажных предприятиях.
Отличием является появление операции по засыпке огнетушащего порошка, которая может быть сложно выполнимой при установке устройства в условиях затеснённого пространства на судне. При ограниченном доступе к устройству данную операцию необходимо выполнять в соответствии со схемой засыпки, приведённой в технологической инструкции на монтаж уплотнительного устройства.
В подразделе 4.3 представлены основные результаты внедрения в практику проектирования судов и монтажа уплотнительных устройств. Результаты выполненного анализа показали, что при лучших технических показателях с использованием предлагаемых уплотнительных устройств получены сопоставимые технологические параметры (трудоёмкость монтажа, потребления топливно-энергетических и материальных ресурсов).
Настоящий автореферат полностью отражает содержание диссертации. Результатом выполненного диссертационного исследования является создание на системной основе новой конструкции устройств уплотнения судовых кабельных трасс, обеспечивающей лучшие функциональные качества и технологичность по сравнению с используемыми в отечественном судостроении конструкциями аналогичного назначения: сальниками и кабельными коробками.
На основании выполненных в диссертационной работе исследований получены следующие теоретические и практические результаты:
1.аВыявлены определяющие конструктивно-технологические параметры, влияющие на процесс теплопередачи через уплотнительное устройство и технологичность конструкции при изготовлении и монтаже на судне:
-аконструкция из двух корпусов (внешнего и внутреннего) сферической формы;
-авеличина толщины и физико-химические свойства огнегасящего материала, препятствующего распространению пламени;
-авеличины толщин стенок и радиусов наружного и внутреннего корпусов;
-аколичество, диаметр, материал изоляции уплотняемых кабелей;
-аспособ крепления уплотнительного устройства на переборке.
2.аУстановлены основные показатели, обеспечиваемые при использовании вновь созданной конструкцией уплотнительного устройства:
-авремя огнестойкости;
-асрок службы (полный, до ремонта);
-адымонепроницаемость;
-абезотказность;
-адопустимое внешнее давление (при взрывах и затоплениях);
-атехнологичность конструкции в процессах изготовления, монтажа на судне, эксплуатации и ремонта;
-атехнологичность конструкции судна при размещении уплотнительных устройств на непроницаемых переборках.
3.аВыполнен анализ, классифицированы основные объекты и используемые технологические процессы, являющиеся источниками повышенной пожарной опасности на судне:
-аналичие достаточного для возникновения и развития пожара количества горючих веществ, источников воспламенения и окислителя из атмосферного воздуха;
-авозможность распространения пожара за пределы помещения.
4.аРазработана теоретическая модель, описывающая процесс распространения и передачи теплоты через уплотнительное устройство при пожаре.
5.аНа основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика оценки времени огнестойкости в зависимости от значений толщины огнетушащего материала.
6.аСовпадением результатов экспериментальных исследований макетных и опытных образцов уплотнительных устройств с теоретическими оценками (погрешность не более 5 %) подтверждена достоверность разработанных теоретических положений.
7.аНа основе полученных решений уравнений теплопроводности, теплопередачи и компьютерного моделирования определены ограничения конструктивного и технологического характера, влияющие на работоспособность уплотнительных устройств. Определена связь между показателями технологичности и конструктивными параметрами устройств.
8.аВыявленное влияние толщины огнегасящего материала на время огнестойкости, ограничения конструктивно-технологического характера, установленные связи конструктивных параметров с показателями технологичности позволили разработать методические рекомендации для проектирования оптимальной конструкций уплотнительных устройств.
9.аВыполненная оценка количества кабелей, проходящих через непроницаемые переборки судов (на основе диаграмм распределения кабелей вдоль продольной оси судна), предложенная оценка площади, необходимой для размещения сферических уплотнительных устройств положены в основу обеспечения технологичности конструкции судна в процессе решения названной задачи. Разработанные предложения рекомендованы для использования при проектировании, начиная с ранних этапов.
10.аРазработана технология монтажа уплотнительного устройства на судне, совместимая с существующей технологией судостроительных и электромонтажных работ.
11.аВыполнено технико-экономическое обоснование целесообразности внедрения разработанных уплотнительных устройств для судовых лотсековЦубежищ. Полученные результаты предлагаются для дальнейшего нормативного обеспечения процессов проектирования уплотнительных устройств.
12.аСопоставительный анализ качества, выполненный на основе метода экспертных оценок, показывает преимущества вновь созданной конструкции уплотнительного устройства (КТj = 0,962, максимальный для пяти образцов, включая один образец зарубежной компании MCT Brattberg).
Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и
изданиях:
1.аГерман Г.В., Попов С.В. Конструктивно-компоновочные решения по повышению пожарной безопасности судовых переборочных уплотнительных конструкций для прокладки кабельных трасс // Естественные и технические науки. № 6 (56) - М, 2011. ISSN 1684-2626. С. 385-390 (автор - 50а%).
2.аПопов С.В., Герман Г.В. Учёт требований пожаростойкости на предпроектных стадиях создания кабельных уплотнительных устройств на судах // Судостроение. № 6. СПб, 2011. С. 39-41 (автор - 50а%).
Публикации в других изданиях:
1.аПопов С.В., Салыкин О.М., Матвиенко С.И. и др. Разработка новых типов уплотнительных конструкций для повышения пожарной безопасности кабельных трасс в гермопроходах и отсеках судов и плавсредств различного назначения // Сборник научных трудов НИПТБ Онега. Выпуск 2 (3). Северодвинск, 2005. С. 60-66 (автор - 30а%).
2.аМиньков В.И., Попов С.В., Салыкин О.М. и др. Система автоматического контроля температуры на базе универсального микроконтроллера с цифровым выходом для проведения исследовательских испытаний с уплотнительными устройствами // Сборник научных трудов НИПТБ Онега. Выпуск 2 (3). Северодвинск, 2005. С. 74-82 (автор - 25а%).
3.аФедоровский К.Ю., Бурков Д.В., Свириденко И.И., Попов С.В. Повышение пожарной безопасности кабельных трасс в гермопроходах помещений и отсеков // Тезисы докладов научно-практической конференции Проектирование, постройка и эксплуатация средств океанотехники, секция Неразрушающие методы контроля и технической диагностики в судостроении и судоремонте. Северодвинск, 2005. С. 111-114 (автор - 25а%).
4.аСалыкин О.М., Попов С.В., Данилин А.А. Перспективы внедрения новых типов уплотнительных конструкций для повышения пожарной безопасности кабельных трасс в судостроении // Сборник докладов научно-практической конференции л100 лет подводному флоту часть 1, 2. Северодвинск, 2005. С. 42-47 (автор - 40а%).
5.аМатвиенко С.И., Салыкин О.М., Миньков В.И., Попов С.В. Защитные уплотнительные устройства для повышения пожарной безопасности кабельных трасс в местах их прохода через герметичные отсеки // Межотраслевая научно-практическая конференция Военное кораблестроение России. Подводное кораблестроение в XXI веке: состояние, проблемы, перспективы. Материалы конференции. ФГУ л1 ЦНИИ Минобороны России. СПб, 2006. С. 386-391 (автор - 30а%).
6.а Салыкин О.М., Попов С.В., Матвиенко С.И. и др. Защитные устройства для повышения надежности и безопасности кабельных трасс в местах их прохода через герметичные отсеки // Технология судоремонта. № 2. СПб, 2006. С.а31-33 (автор - 30а%)
7.аСалыкин О.М., Попов С.В., Матвиенко С.И. и др. Повышение надежности и безопасности кабельных трасс в местах их прохода через герметичные отсеки за счёт разработки и внедрения новых типов переборочных уплотнительных устройств // Сборник научных трудов НИПТБ Онега. Выпуск 4. Северодвинск, 2008. С. 37-46 (автор - 25а%).
8.аСалыкин О.М., Попов С.В., Данилин А.А., Хаванов В.А. Повышение пожарной безопасности кабельных трасс в гермопроходах и отсеков морской техники // Сборник трудов НИПТБ Онега. Выпуск 5. Северодвинск, 2010. С. 91-95 (автор - 40а%).
9.аМатвиенко С.И., Попов С.В., Пешков В.Г., Пшеницын А.А. Компьютерное моделирование тепловых полей уплотнительных конструкций кабельных трасс в местах прохода через герметичные помещения // Сборник трудов НИПТБ Онега. Выпуск 6. Опыт разработки проектной документации. Северодвинск, 2011. С. 71-78 (автор - 25а%).
10.аКуликов К.Н., Матвиенко С.И., Попов С.В., Герман Г.В. Проектирование кабельных переборочных уплотнений повышенной надёжности для подводных аппаратов // Материалы четвёртой всероссийской научно-технической конференции Технические проблемы освоения мирового океана, 3-7 октября 2011. Владивосток. ISBN 978-5-8044-1244-2. С. 84-88 (автор - 40а%).
10.аПопов С.В. Устройство уплотнительное. Оценка уровня качества. Научно-технический отчёт ЯНМИ.305318.024Д1. Северодвинск, 2011. ОАОаНИПТБаОнега. 25ас. Инв. №а93398. (автор - 100а%).
11.аПопов С.В. Устройство уплотнительное. Моделирование термических испытаний. Научно-технический отчёт ЯНМИ.305318.024Д2. Северодвинск, 2011. ОАОаНИПТБаОнега. 25ас. Инв. №а93399. (автор - 100а%).
Объекты интеллектуальной собственности:
12.аПат.а55217аРоссия, МПК7 Н02G3/00. Устройство для группового прохода кабелей через переборкуа//аСалыкинаО.аМ., ПоповаС.аВ., МиньковаВ.аИ. и др. Заявитель и патентообладатель ФГУПаНИПТБаОнега. Северодвинск, 2006. №а2006100323/22. Бюл. № 21. 2ас. (автор - 30а%).
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям