marynarki naprawy

ISSN 0209-2069
ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
EXPLO-SHIP 2004
Stanisław Dobrociński, Wojciech Jurczak,
Bogdan Szturomski
Możliwości wykorzystania kompozytów Belzona
do naprawy urządzeń dokowych
Słowa kluczowe: suchy dok, podnośnik lądowy, naprawa, materiał Belzona
Przedstawiono kompleksowe rozwiązanie problemu eksploatacyjnego lądowego
podnośnika okrętowego, w którym pod wpływem ugięć szyn transportowych będących
wynikiem ubytków podłoża następowało niszczenie kół wózków transportowych.
Possible Applications of Belzon's Composites
to Repair and Modernise Docking Facilities
Key words: dry dock, land-lift, repair, ‘Belzon's’ material
The article provides a comprehensive solution of an operating problem of a landlift truck. The problem is that the base beneath the track gave way causing damage to lift
tracks' wheels.
181
Stanisław Dobrociński, Wojciech Jurczak, Bogdan Szturomski
Wstęp
Stocznia Marynarki Wojennej zwróciła się do Akademii Marynarki Wojennej z wnioskiem o rozwiązanie problemu dotyczącego dynamicznego niszczenia
kół sekcji podnośnika okrętowego przy transporcie jednostek pływających na
suchy dok. Deformacja i pęknięcia kół były wynikiem nieliniowości powierzchni szyn stałego i ruchomego podłoża lądowego podnośnika okrętowego, co
przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Nieliniowość szyn przy przejściu z lądowej na ruchomą część podnośnika śrubowego
z zastosowaniem podkładki przejściowej
Fig. 1. Non-linearity of track rails at the connection between land and movable parts of the screw
lift
Rozwiązanie problemu polegało na wyznaczeniu stanu naprężenia i deformacji szyn podpartych na stałym betonowym podłożu krańca szyn lądowego
podnośnika okrętowego, służącego do poziomego transportu wydokowanych
okrętów. Badania prowadzono dla aktualnego stanu podłoża oraz po uzupełnieniu jego ubytków, np. wypełniaczem firmy Belzona [6]. Przeprowadzono statyczną analizę numeryczną, wykorzystując do obliczeń system MSC MARC.
Okrętowy podnośnik liniowy składa się z systemu szyn stałych i ruchomych
na przesuwnej suwnicy, po których przemieszczają się wózki, stanowiące podporę transportową kadłuba dokowanego okrętu. Podłoże krańców szyn stałych,
ze względów konstrukcyjnych, są narażone na największe obciążenia i erozję
spowodowaną zmiennymi warunkami pogodowymi, szczególnie w okresie
zimowym (wilgoć i mróz, rys. 2).
182
Możliwości wykorzystania kompozytów Belzona do naprawy urządzeń dokowych
Rys. 2. Graniczny fragment stałej części lądowego podnośnika okrętowego
Fig. 2. The fixed edge of the land part of the lift
Ubytki podłoża prowadzą do trwałych, plastycznych deformacji szyn,
a w dalszej konsekwencji pojawienia się uskoku między szyną stałą i ruchomą
podnośnika, na którym dochodzi do pęknięć kół wózków transportowych.
Celem pracy było przeprowadzenie numerycznej analizy stanu naprężenia
i odkształcenia szyny z podłożem w przypadku ubytku podłoża, oraz po uzupełnieniu go materiałem wypełniającym. Obciążenie stanowi ciężar własny i siła
nacisku koła wózka, przenoszącego przypadający na nie ciężar transportowanego okrętu. Symulowano różne ubytki masy betonu, na różnych wymiarach
sprawdzając wpływ na naprężenia i odkształcenia szyny (odpowiedź konstrukcji).
1. Obliczenia numeryczne
Zadanie jest rozwiązywane metodą elementów skończonych. Koniec torowiska stałego składa się z szyny, płaskiej podkładki stalowej, betonowego podłoża i śrub mocujących. Konstrukcja jest symetryczna. Do jej opisu zastosowano
płaski model tarczowy, ograniczając rozpatrywany obszar odpowiednimi warunkami brzegowymi, rozwiązując zagadnienie kontaktowe dla płaskiego stanu
naprężenia.
Obszar długości 1,2 m i tej samej wysokości zdyskretyzowano prostokątnymi czterowęzłowymi elementami. Przyjęto następujące warunki brzegowe:
odebrano wszystkie stopnie swobody na dolnej krawędzi betonu. Powierzchnie
kontaktowe przyjęto między szyną, a płaskownikiem oraz płaskownikiem i betonem. Szynę obciążono pionową siłą skupioną na jej końcu wartością 50 kN.
Ciężarem własnym obciążono szynę i płaskownik. Przyjęto, że ubytek podparcia
(betonu) występuje na długości 0,3 m.
183
Stanisław Dobrociński, Wojciech Jurczak, Bogdan Szturomski
Szyna
Płaskownik
Beton
Rys. 3. Dyskretyzacja obszaru
Fig. 3. Digitising of the area
Rys. 4. Stan naprężenia normalnego dla ubytku długości 0,3 m
Fig. 4. The state of a normal stress for the loss of base 0.3 m long
184
Możliwości wykorzystania kompozytów Belzona do naprawy urządzeń dokowych
Otrzymane wyniki stanu naprężenia normalnego, dla powyższego zadania,
wykazały, że wartości ekstremalne występują w górnej części szyny i wynoszą
ponad 150 MPa. Pionowe przemieszczenie krańca szyny wynosi 2,2 mm.
Należy się jednak spodziewać, że ubytek erozyjny betonu występuje na
dłuższym odcinku, pod szyną i może przyjmować różne kształty. Zarówno długość tego ubytku jak i kształt mają wpływ na odpowiedź konstrukcji. Poniżej
przedstawiono obliczenia dla kształtu ubytku betonu pod szyną, wyrażonego
jako krzywa trzeciego stopnia będąca równaniem linii ugięcia dla utwierdzonej
belki zginanej w postaci:
y
Flx 2  x

  3
6 EI  l

Rys. 5. Ubytek pod szyną w formie równania linii ugięcia belki utwierdzonej
Fig. 5. The loss under a rail in the form of equation of a deflection of a constrained beam lines
Dla takiego modelu podparcia szyny, naprężenia normalne przekroczyły
wartość 350 MPa, a pionowe przemieszczenie krańca szyny wzrosło do
15,2 mm.
Rys. 6. Stan naprężenia normalnego dla ubytku w formie równania linii ugięcia belki
utwierdzonej
Fig. 6. The state of a normal stress for the loss of the base in a form of equation of constrained
beam lines
Są to już wartości bliskie zakresu plastycznego (stal podwyższonej jakości),
a więc blisko trwałych odkształceń szyn. Występowanie takich ubytków potwierdza faktyczny stan (rys. 7), na których krzywiznę deformacji widać gołym
okiem.
185
Stanisław Dobrociński, Wojciech Jurczak, Bogdan Szturomski
Rys. 7. Trwale odkształcony kraniec szyny stałej lądowego podnośnika okrętowego
Fig. 7. A permanently strained edge of a rail of a land part of the lift
2. Obliczenia sprawdzające dla przyjętej technologii remontu
Dotychczas ubytki betonu okresowo uzupełniano nowym betonem. Jednak
dolewany beton nie łączy się z pierwotną strukturą, co objawia się powstawaniem wyraźnych granic, w które łatwo wnika woda i zamarzając ponownie kruszy beton. Naprawa taka jest bezcelowa. Ponadto nie zapewnia ona wypełnienia
szczeliny pod szyną.
Rys. 8. Warstwy betonu powstałe wskutek napraw
Fig. 8. Layers of concrete made during repairs
186
Możliwości wykorzystania kompozytów Belzona do naprawy urządzeń dokowych
Do naprawy betonowego ubytku zaproponowano kompozyt polimerowy
firmy Belzona, odporny na oddziaływania atmosferyczne. Jego właściwości
mechaniczne pozyskano z prób ściskania, przeprowadzonych w Laboratorium
Inżynierii Materiałowej AMW (producent nie wyraził zgody na opublikowanie
wyników). Dysponując tymi danymi wykonano symulację numeryczną dla krańca szyny, w którym ubytek uzupełniono ww. polimerem (rys. 9). Wyniki otrzymane dla tego zadania przedstawiono na rysunkach 10 i 11.
Rys. 9. Kraniec szyny uzupełniony polimerem
Fig. 9. The edge of a rail fixed with ABS resins
Rys. 10. Stan naprężenia w krańcu szyny uzupełnionej polimerem
Fig. 10. The state of stress at the edge of a rail fixed with ABS resins
187
Stanisław Dobrociński, Wojciech Jurczak, Bogdan Szturomski
Rys. 11. Stan deformacji w krańcu szyny uzupełnionej polimerem
Fig. 11. The state of strain at the edge of a rail fixed with ABS resins
Naprężenia w szynie dla zadanego obciążenia nie przekraczają 30 MPa,
a przemieszczenia pionowe krańca szyny wynoszą 0,33 mm.
Ze względu na możliwość niedokładnego wypełnienia ubytku betonu pod
szyną, przeanalizowano stan naprężenia w funkcji miejsca przyłożenia obciążenia (rys. 12). Wówczas zmieni się kierunek naprężeń normalnych i wzrośnie do
wartości 76 MPa.
Rys. 12. Stan naprężenia w przypadku niewypełnienia szczeliny pod szyną
Fig. 12. The state of stress in the case of the loss of base ground is not filled in
188
Możliwości wykorzystania kompozytów Belzona do naprawy urządzeń dokowych
Wnioski
Prowadząc badania numeryczne stwierdzono, że znaczący wpływ na stan
naprężenia ma nie tylko wielkość ubytku betonu, ale również szczelina powstała
pod szyną. Stan naprężenia i deformacji zależy od jej kształtu i wymiarów.
Proponowany polimer spełnia stawiane mu wymagania. Jednakże remontując krańce torowisk podnośnika lądowego okrętów należy zastosować taką technologię naprawy, która umożliwi wypełnienie szczelin pod szynami.
Literatura
1. Dacko M., Borkowski W., Dobrociński S., Niezgoda T., Wieczorek M.,
Metoda elementów skończonych w mechanice konstrukcji, Arkady, Warszawa 1994.
2. Dobrociński S., Stabilność rozwiązań zagadnień odporności udarowej konstrukcji, Biblioteka problemów eksploatacji, Akademia Marynarki Wojennej, Gdynia 2000.
3. Dokumentacja MSC MARC, Theory and user information, MSC Software
Corporation, Santa Anna 2001.
4. Kasprzyk Z., Rakowski G., Metoda elementów skończonych w mechanice
konstrukcji, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Wyd. 1, Warszawa 1994.
5. Kleiber M., Komputerowe metody mechaniki ciał stałych, PWN, Warszawa
1995.
6. www.belzona.com.pl.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2004 r.
Recenzenci
dr hab. inż. Tadeusz Jastrzębski, prof. PS
prof. dr hab. inż. Stefan Żmudzki
Adresy Autorów
prof. dr hab. inż. Stanisław Dobrociński
dr inż. Wojciech Jurczak
dr inż. Bogdan Szturomski
Akademia Marynarki Wojennej
ul. Śmidowicza 69, 81-103 Gdynia
189