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 land-lift truck. The problem is that the base beneath the track gave way causing damage to land-lift tracks' wheels.
Wstęp
Stocznia Marynarki Wojennej zwróciła się do Akademii Marynarki Wojen-nej 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 powierzch-ni szyn stałego i ruchomego podłoża lądowego podnośpowierzch-nika 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 defor-macji 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 uzupełnie-niu jego ubytków, np. wypełniaczem firmy Belzona [6]. Przeprowadzono sta-tyczną 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 pod-porę 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).
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 uzupeł-nieniu go materiałem wypełniającym. Obciążenie stanowi ciężar własny i siła nacisku koła wózka, przenoszącego przypadający na nie ciężar transportowane-go okrętu. Symulowano różne ubytki masy betonu, na różnych wymiarach sprawdzając wpływ na naprężenia i odkształcenia szyny (odpowiedź konstruk-cji).
1. Obliczenia numeryczne
Zadanie jest rozwiązywane metodą elementów skończonych. Koniec toro-wiska stałego składa się z szyny, płaskiej podkładki stalowej, betonowego pod-łoża i śrub mocujących. Konstrukcja jest symetryczna. Do jej opisu zastosowano płaski model tarczowy, ograniczając rozpatrywany obszar odpowiednimi wa-runkami brzegowymi, rozwiązując zagadnienie kontaktowe dla płaskiego stanu naprężenia.
Obszar długości 1,2 m i tej samej wysokości zdyskretyzowano prostokąt-nymi czterowęzłowymi elementami. Przyjęto następujące warunki brzegowe: odebrano wszystkie stopnie swobody na dolnej krawędzi betonu. Powierzchnie kontaktowe przyjęto między szyną, a płaskownikiem oraz płaskownikiem i be-tonem. 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.
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
Szyna Płaskownik
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 dłu-gość 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:
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 po-twierdza faktyczny stan (rys. 7), na których krzywiznę deformacji widać gołym okiem. 3 6 2 l x EI Flx y
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 powstawa-niem wyraźnych granic, w które łatwo wnika woda i zamarzając ponownie kru-szy 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
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 krań-ca szyny, w którym ubytek uzupełniono ww. polimerem (rys. 9). Wyniki otrzy-mane 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
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 obciąże-nia (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
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 remontu-jąc krańce torowisk podnośnika lądowego okrętów należy zastosować taką tech-nologię 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,
War-szawa 1994.
2. Dobrociński S., Stabilność rozwiązań zagadnień odporności udarowej
kon-strukcji, Biblioteka problemów eksploatacji, Akademia Marynarki
Wojen-nej, 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,
War-szawa 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
