разъемными соединениями зависят от степени возмущения напряжен­ ного состояния в зоне этих узлов. На основе анализа напряженного состояния конструкции в области соединения можно создать составную оболочку из хрупкого материала, в которой удается надежно реализо­ вать его высокую прочность, полученную на образцах при одноосном сжатии. Данные по прочности новых соединений полученные в пред­ ставленном исследовании, позволяют рекомендовать их к широкому внедрению в системах из неметаллических материалов данного класса.

Совершенствовать новые типы соединений с целью повышения их предельной несущей способности и надежности в эксплуатации сле­ дует путем высокоточной сборки деталей в узлах стыковки, которая обеспечивается повышением точности механической обработки торцовой зоны стеклоэлемента до получения равнотолщинного сечения стенки оболочки в области стыка, и последующим локальным упрочнением шлифованной поверхности с помощью химического травления в растворе кислот. При этом следует проводить дефектоскопию зоны хрупкого элемента, подверженной концентрации напряжений.

Разработка научных основ конструкционной прочности хрупких неметаллических материалов и экспериментальная проверка возмож­ ности использования серийных промышленных изделий из техническо­ го стекла, полученных методом горячей штамповки, для составных оболочечных систем, способных эффективно эксплуатироваться при высоком внешнем гидростатическом давлении, позволили приступить к внедрению новых конструкций для промышленных работ и научных исследований на больших глубинах в океане.

Глава VI

ОПЫТ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ СОСТАВНЫХ ОБОЛОЧЕК ИЗ СТЕКЛА ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

1. Вопросы эксплуатационной прочности новых конструкций

Замена традиционных конструкционных материалов хрупкими

требует внесения принципиальных изменений в их конструирование, технологию изготовления и нормирование прочности с целью учета •особенностей физико-механических свойств материалов этого класса

иэксплуатационных требований к новым объектам [98, ПО]. Отличие

впроектировании и оценке прочности оболочек из таких материалов по сравнению, например, с металлическими состоит в прогнозирова­

нее вызывает необходимость решения новых задач по обеспечению приемлемой надежности разработанных конструкций: прочные кор­ пуса из стекла должны отвечать основным требованиям, предъявляе­ мым к изделиям океанологической техники.

При рассмотрении вопросов создания технических средств для под­ водных работ целесообразно остановить выбор на серийно изготавли­ ваемых промышленностью дешевых стеклоизделиях оболочечных форм, обладающих осевой симметрией. Наибольший практический интерес представляет группа сферических и цилиндрических оболочек средней толщины, которые позволяют компактно размещать аппаратуру внут­ реннего насыщения [20, 80]. Высокая несущая способность таких оболочек под действием внешнего давления определяется специфически­ ми механическими и конструкционными свойствами технических ма­ рок стекол. Толстые оболочки из стекла и ситалла имеют завышенную массу и существенный запас прочности; тонкие оболочки с отношением толщины стенки к радиусу менее 0,06 обладают относительно низкой несущей способностью в связи с особенностью деформирования под нагрузкой. Высокие гидродинамические характеристики цилиндри­ ческих оболочек, по сравнению с другими равноценного объема, выд­ вигают требования их первоочередного внедрения в практику работ

для сборки, влияют на прочность конструкций, понижая ее в каж дом конкретном случае. Технологические несовершенства стеклоэлементов

в виде инородных включений, газовых пузырей, царапин, мелких ско­ лов, высокой шероховатости поверхностей также существенно снижают предельную несущую способность и работоспособность изделий.

Результаты представленного исследования механических характе­ ристик технического стекла, его конструкционной прочности в сборных сферических и цилиндрических оболочках под действием кратковре­ менного, повторного и длительного приложения внешнего гидростатиче­ ского давления положены в основу разработки натурных систем морской аппаратуры, автономных узлов и элементов плавучести, эк­ сплуатируемых в глубоководных условиях. Проведены конструирова­ ние, изготовление и испытания технических средств, применяемых при подводных исследовательских работах, эксплуатационной развед­ ке шельфовых россыпей и поисках донных конкреций большой массы, промышленных работах [31, 120].

Первые испытания опытных сборных элементов плавучести типа кухты ля для рыболовецкого трала, прочных корпусов приборных контейнеров, сигнальных устройств и других под действием эксплуа­ тационных нагрузок подтвердили реальную возможность их широкого внедрения в практику: последние отвечают основным требованиям, предъявляемым к морской технике. Одновременно отмечено отсут­ ствие практики в работе с такими конструкциями, что ставит ранее невозникающие задачи по изучению эксплуатационных свойств новых изделий. В частности, необходимо оценить влияние условий их хра­ нения, транспортировки, процесса погружение-всплытие на техни­ ческие свойства сборных систем. Уже на первом этапе внедрения объектов был поставлен вопрос об исключении воздействия статичес­ ких и динамических нагрузок, вызывающих разрушения от растя­ гивающих напряжений и существенных локальных механических повреждений.

Предварительные лабораторные и опытные натурные испытания, а такж е анализ причин разрушения стеклоэлементов позволили вы­ брать коэффициент запаса прочности и назначить безопасный уровень эксплуатационной нагрузки для опробованных составных систем 1148]. Визуальный контроль конструкций на стадии подготовки к нагружению и в процессе эксплуатации с целью выявления опасных повреждений хрупких элементов обеспечил их надежную работу: не зафиксированы случаи непрогнозированного имплозионного выхода из строя океанологической аппаратуры, что свидетельствует о высо­ кой надежности новых изделий. В результате обобщения этих данных назначен безопасный уровень напряжений при малоцикловом и дли­ тельном нагружении, который должен быть снижен в 1,5—2,0 ра­ за по отношению к предельным кратковременным нагрузкам.

В случае возникновения опасного эксплуатационного повреждения хрупких элементов составных оболочек анализ развившихся трещин должен сводиться к следующему [122]:

по направлению трещин судят о направлении наибольших напря­ жений растяжения, которые перпендикулярны к трещинам отрыва, или сжимающих напряжений, примерно совпадающих с ориентиров­ кой трещин;

по направлению трещин относительно траекторий главных напря­ жений в начале и конце разруш ения судят о роли нормальных н ап ря­ жений на разных стадиях процесса разруш ения;

по зонам и последовательности преимущественного возникновения трещин (с учетом условий нагружения) определяют расположение наиболее напряженных мест изделия;

по разрушающей нагрузке с помощью решения задач о распреде­ лении напряжений методами теории упругости или пластичности судят о сопротивлении элементов конструкции разрушению или пластичес­ кому течению и о приемлемости тех или иных гипотез прочности;

по отношению площадей изломов и временных оценок этапов разруш ения судят о длительности жизни изделия в стадии разруш е­ ния и о соотношении долговечности в докритическом и закритическом состояниях.

Такая постановка вопроса гарантирует выявление зон неблаго­ приятного сочетания нагрузок и уровня сопротивления элементов изделия разрушению, а это в свою очередь позволяет оценить на­ дежность конструкции и предотвратить ее полное разруш ение.

Потеря герметичности внутреннего объема составной оболочки такж е приводит к невозможности дальнейшей эксплуатации техниче­ ского средства. Поэтому обеспечение герметичности узлов соединений в системах морской аппаратуры следует проводить специальными ме­ рами, путем защиты свободных поверхностей клеевых швов от действия окружающей среды. Наиболее эффективна консервация омоноличивающих швов и в целом узлов соединений с помощью резинового бан­ даж а совместно с нитрошпаклевкой.

Кратко представим технические характеристики новых океаноло­ гических систем для исследовательских и промышленных работ в усло­

Замкнутые стеклянные сферические и цилиндрические с монолит­

мысловых рыболовецких тралов, элементов плавучести для протоплен­ ных буев, энергетических колб глубоководных пробоотборников дон­ ного грунта, источников упругих колебаний для глубинного сейсми­ ческого зондирования дна в океане и других целей (рис. 74, б — д). Универсальные, простые в изготовлении, монтаже и ремонте, экономи­

характеристиками обеспечивают существенное повышение рыбо­ продуктивности промыслов в открытых акваториях океана.

Модули плавучести [149]. В разработках компановки различ­ ных схем плавучести были использованы описанные выше сферические, а такж е цилиндрические с монолитными днищами оболочки из стекла МКР-1 (ТУ59-56) диаметром 210 мм, длиной 450 мм, толщиной стенки 11 мм, массой 7,0 кг, подъемной силой 49 Н . Собирая оболочки,

бинах положительной плавучестью от нескольких сотен до десятков тысяч ньютонов. Примером создания самовсплывающего поплавкового модуля в виде блока плавучести из стеклянных оболочек (полож итель­

глубинах и океанологических исследованиях для опробования донных ультрабазитов, железомарганцевых конкреций, титаноциркониевых и других россыпей как потенциально рудоматериального сырья [121]. Резкое повышение производительности работ по добыче конкреций возможно в результате создания автономных самовсплывающих глу ­ боководных (до 6,0 км погружения) пробоотборников, не связанны х с судном-носителем в процессе работы. В связи с этим в 1976— 1981 гг. в СССР были сконструированы, изготовлены и внедрены в практику работ при проведении эксплуатационной разведки шельфовых рос­ сыпей и поисках глубоководных конкреций автономные пробоотбор­ ники АП-6000 и АП-пассат [82]. В основу конструкции этих самовсплы­ вающих систем положена модульная схема, позволяющая вести по­ следующую модернизацию узлов пробоотборников без их коренного изменения в целом. Технические характеристики автономных пробо­ отборников указанных типов представлены в табл. 24. Одним из ос­ новных модульных элементов, входящих в конструкцию пробоот­ борника, является поплавковый узел: модуль, собранный из 54-х стек­ лянных оболочек с общей плавучестью 2502 Н [123], позволил ощутимо

погруж ения, всплытия, соотношение массы пробы и балласта, площади захвата пробы, превосходят лучш ие зарубежные образцы самовсплы­ вающих систем подобного вида «Бумеранг-Н» и «Бентос 4200» [104, 156].

Примером конструирования многокомпонентной системы плаву­ чести из композитного материала для рабочих глубин 2000 м может слу ­

компоновка обеспечивает в данном случае пространственную жесткость системы и раздельную работу ее тела и оболочек, что позволяет су­ щественно увеличить эксплуатационную глубину погружения.

В заключение отметим, что сборные оболочки из стекла с клеевым соединением элементов, кроме описанных выше технических систем, успешно используются в виде энергетических колб для рабочих орга­ нов глубоководного пробоотборника донного грунта [147], источников упругих колебаний при глубинном сейсмоакустическом зондировании дна в океане и других объектах современной техники. При достижении автономной системой АП-базальт дна происходит принудительное схлопывание одной или серии стеклянных оболочек под высоким внеш­ ним давлением с последующей направленной утилизацией е ы с е о 6 о - дившейся при этом энергии. С увеличением глубины погружения и свободного объема оболочки растет ударная волна энергетического устройства, которая вызывает сейсмическое зондирование дна и од­ новременное разрушение выходов скальных пород.

3. Оболочечные конструкции из стекла для прочных корпусов океанологических приборов

и автономных элементов сквозной видимости

Применение быстроразъемного соединения, реализующего непо­ средственный стык стеклоэлементов в конструкции, позволило создать дешевые, абсолютно немагнитные, коррозионностойкие составные оболочечные системы для размещения оборудования модуля управ­ ления автономных пробоотборников и геофизических глубоководных станций [42, 72, 141].

i

Рис. 76. Автономные пробоотборники моделей АП-6000 (а) и АП-пассат (б):

защищена от морской среды и контактных повреждений путем ее заклю чения во внутрь тела поплавкового узла (рис. 76, а, б).

После сборки контейнеры имели следующие технические характе­ ристики! диаметр и длина — соответственно 200—210 и 400—450 мм; масса без крепежа и аппаратуры — 7,6 кг; максимальные напряжения при лабораторных и эксплуатационных нагрузках — соответственно 322— 683 и 24— 199 МПа; ресурс работоспособности — 10 циклов нагру­ жения повторной гидростатической нагрузкой 3—32 МПа.

Эксплуатация стеклянного корпуса радиомаяка поиска и обна­ руж ения самовсплывающего автономного пробоотборника осущест­

влялась следующим образом. После спуска пробоотборника за борт плавсредства (см. рис. 75, а), благодаря его отрицательной плавуче­ сти, создаваемой балластом, вся система погруж ается на морское дно. При достижении дна, от удара контактный штырь поворачивает гру ­ зовые контейнеры вокруг осей, в результате чего происходит сброс балласта. Створки грейфера синхронно, под действием подъемной силы поплавкового узла, сдвигаются, сгребая осадочные отложения. После полного закры тия створок ковша заканчивается цикл отбора пробы. Закончив технологический этап, пробоотборник, получивший положительную плавучесть, всплывает на поверхность, где обнаруж и­ вается с помощью радиопеленгатора и поднимается на борт плавсред­

сейсмологической аппаратуры конструкции И нститута океанологии АН СССР МАДС-6, в которой контейнер использован для герметиза­ ции радиом аяка РБ-46М с наружным плавающим магнитным выклю ­ чателем (см. рис. 75, б) [48]. Внедрение разработанного прочного кор­ пуса позволило в данном случае улучш ить массогабаритные характе­ ристики изделия в целом, а это в свою очередь обеспечило установку дополнительных приборов в систему МАДС-6 при неизменной грузо­ подъемности поплавкового узла.

В процессе использования 24 контейнеров в течение 10 погружений на глубину 0,3—2,5 км при продолжительности одного погружения от 1 ч до 48 ч и изменяющихся температурных условиях среды в пре­ делах 308—281 К зафиксирована надежная работоспособность новых изделий. Только один контейнер, предварительно получивший повреж ­ дения во время монтажа аппаратуры, разруш ился в момент глубоко­ водного погружения системы.

Ш ирокую перспективу применения сборных стеклянных оболочек обеспечивает новое конструктивное решение механического разъем ­ ного соединения элементов сопоставимой жесткости. Оболочечные системы, собранные из описанных ранее серийных стеклоизделий с помощью соединения, которое включает оптимальные стальные кольца-обрамления с плоским разъемом, внедрены в виде прочных корпусов и элементов следующих автономных приборов и устройств: контейнеров для датчиков, регистраторов и блоков другой аппаратуры донных геофизических станций, герметичных корпусов для свето-, радио-, гидроакустических маяков и ответчиков, в системах подводной акустической локации и др. (рис. 77, а— в) [40, 42, 80]. В указанных системах зафиксирована высокая коррозионная стойкость стеклоэлементов в процессе всего периода опытной эксплуатации. Н агруж ения в течение 2,0— 4,5 месяцев не позволили зафиксировать ощутимого снижения прочности конструкций. Одновременно, некачественно защищенные клеевые швы из-за снижения адгезионной прочности

лия. Сохранение исходных свойств омоноличивающих швов достигнуто