Технологичность шпации

3.1. Общие сведения

Корпус судна ‑ сложная инженерная система, являющаяся частью еще более сложной системы — судна. Очевидно, что цель системы корпус (К) — обеспечить нормальное функционирование системы судна, для которой К является подсистемой. Высокий уровень технологичности конструктивных элементов системы К в первую очередь характеризуется экономией материала, минимальной трудоемкостью, сроками изготовления. Систему К можно представить как множество элементов (конструктивных объектов), составляющих определенную иерархию уровней подсистем: блоки, секции, узлы, детали, материал, шпация. Иерархические уровни (т. с. подсистемы К) начинаются со шпации — расстояния между балками набора. Шпация, как продольная (расстояние между поперечными балками набора, так и поперечная (расстояние между продольными балками набора), является характерным параметром, отличающим конструкции корпуса судов от других инженерных сооружений. От шпации зависят расчетные размеры почти всех конструктивных связей и деталей корпуса: толщины наружной обшивки, настила палуб, обшивки переборок, геометрические характеристики поперечного сечения балок набора, размеры книц, бракет, ребер и т. д., за исключением размеров вертикального киля, днищевых стрингеров, крайнего междудонного листа. Со шпацией связаны габаритные теоретические размеры грузовых и многих других помещений, грузовых люков. Шпация является исходной базой при технологических операциях: разметке, проверке и др., влияет на стоимость и трудоемкость постройки, на массу, раскрой и стоимость материала. Шпация также влияет на высоту набора трюмов и, следовательно, на их грузовместимость

Выбор оптимальной шпации при проектировании конструкций корпуса представляет собой комплексную задачу, так как при ее решении необходимо удовлетворить требования правил классификационного общества, а также оценить ряд технико-экономических показателей постройки. Если для судов отдельных типов основная задача ‑ получение минимальной массы и, соответственно, определение шпации, которая ее обеспечивает, то для подавляющего числа судов транспортного и рыбопромыслового флота главная цель — получение минимальной строительной стоимости, обеспечение рентабельной эксплуатации и соответствующей шпации.

Интересно отметить, что еще в 1860 г., когда шпация у всех судов была одинаковой, на первом заседании Института корабельных инженеров Англии Правила Ллойда подверглись серьезной критике за требование слишком часто располагать шпангоуты (на расстоянии 406 мм). Шпацию продольного набора на первых металлических судах определяли по технологическим соображениям — ее принимали равной ширине поясьев наружной обшивки. Продольные балки выполняли роль соединительных элементов листов обшивки но пазам.

В дальнейшем с развитием металлического судостроения размеры шпации стали определять в зависимости от длины судна, шпангоутные расстояния постепенно увеличивали вследствие роста размеров судов, совершенствования конструкций, накоплении знаний о работе конструкций корпуса. Так с 1902 г. уже допускалось некоторое увеличение табличных размеров шпации при соответствующем утолщении обшивки с целью снижения стоимости работ за счет уменьшения числа балок набора.

В конце 1950-х — начале 1960-х гг. в связи с увеличением размеров судов и постройкой судов новых типов правила классификационных обществ стали определять стандарты прочности в явном виде с учетом особенностей каждого типа, что исключило необходимость жесткого нормирования размеров шпации.

Требования правил классификационных обществ к размерам шпаций, действующие в данное время, приведены в табл. 3.1. Все эти размеры зависят от длины судов. Разделение шпаций поперечного и продольного набора заменено определением размеров основных конструктивных связей в зависимости от исходных данных с учетом системы набора перекрытия, а выбор проектной шпации предоставлен конструктору. В отечественном судостроении размеры шпаций стандартизованы и равны 400, 500, 550, 600, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000 мм (всего 11 размеров).

Таблица 3.1. Требования правил классификационных обществ к размерам шпаций сухогрузных нефтеналивных судов, действующие в настоящее время

Как следует из табл. 3.1, разность между номинальными размерами шпаций по правилам различных классификационных обществ невелика и составляет 13—15%. Проектные шпации могут весьма существенно (в пределах допусков) отличаться от номинальных.

Необходимо отметить еще одно исключительно важное обстоятельство. Вследствие разницы в ценах на металл и стоимости выполнения работ проектные шпации в разных странах различаются. Например, при практически одинаковых требованиях к шпации в Правилах АВС и НКК проектные шпации на судах американской постройки 1960‑70-х годов постройки значительно больше, чем у судов японской постройки. Это объясняется тем, что на 1 т дедвейта в Японии затрачивали примерно 18 чел.-ч, а в США – 65, при этом стоимость 1 чел.-ч в Японии была 27 центов, а в США – 2,45 доллара.

Очевидно, что отношение между трудоемкостью, стоимостью и массой зависит от многих причин и в том числе от уровня организации производства. Очевидно и другое: в ряде случаев отступление от номинальной шпации (в допускаемых пределах) может вызываться не только конструктивными соображениями (общее расположение, расположение механизмов и т. д.), но и технологическими.

3.2. влияние шпации на технологичность конструкций корпуса

Требования, предъявляемые к размерам шпации, противоречивы. Удовлетворение требований прочности, устойчивости, грузовместимости, к минимальным толщинам связей, их минимальной массе и трудоемкости изготовления и др. приводит к различным шпациям. Следовательно, выбор оптимальной шпации при проектировании любого судна, являясь комплексной задачей, должен осуществляться по определенному критерию. Таким критерием в период изготовления клепаных судов и в начальный период внедрения сварки в судостроение являлась масса корпуса, которой определялась и стоимость. Интересно, что решение задачи по определению минимальной массы без учета требований минимальных толщин приводит к шпации, примерно равной 250 мм и толщинам листов перекрытий 2,5‑3 мм, что совершенно не пригодно для наружных и большинства внутренних судовых конструкций.

Однако внедрение сварки в судостроении, изменение стоимости металла, значительное увеличение стоимости нормо-часа, внедрение механизированных и автоматизированных средств привело к тому, что шпация, обеспечивающая оптимальную массу корпуса, не является оптимальной с точки зрения стоимости и трудоемкости.

Влияние изменения размеров шпаций на массу корпуса и его отдельных перекрытий рассматривалось в разных странах многими исследователями с учетом требований правил различных классификационных обществ. Эти исследования показали, что принятие номинальной шпации с учетом требований общей и местной прочности, устойчивости и минимальных толщин приводит к массе, близкой к оптимальной. Однако эта шпация не приводит к оптимальной строительной стоимости.

Увеличение размеров шпации приводит к сокращению трудоемкости за счет уменьшения:

· объема плазовых работ, разметки деталей набора;

· операций тепловой и механической резки, правки, зачистки кромок, гибки, комплектации деталей;

· при секционной сборке и сварке ‑ объема пригонки, разметки, проверки, сборки, сварки деталей набора;

· при стапельной сборке ‑ объема работ при стыковке деталей набора: подгонки, проверки, сборке, сварке;

· объема работ при сдаче на конструктивность.

Естественно, что изменения размеров шпаций вызывают соответствующие изменения толщин обшивки и конструктивных размеров балок. Исследования показали, что с целью снижения трудоемкости для сухогрузных и наливных судов с корпусами из стали с σ_т = 235 МПа целесообразно использовать шпацию, рассчитанную по формуле

а = 0,0025L+0,5,

а для судов из стали с σ_т = 294 МПа по формуле

а = 0,0025L+0,4.

Такая шпация полностью отвечает требованиям Правил РС, по которым разрешено изменять шпацию в пределах ± 25%.

При этом толщина обшивки и масса корпуса возрастут очень незначительно либо вообще останутся неизменными.

изменение шпации в предлагаемых пределах не приводит к увеличению толщины обшивки и массы корпуса (либо увеличение это очень незначительно) и не вызывает необходимости изменения главных размерений, мощности и т. д. при значительном снижении трудоемкости изготовления корпуса судна.