Материал и конструкция корпуса
Подавляющее большинство лодок серийного производства, выпускаемых предприятиями нашей страны для продажи населению, изготовляется с корпусами из легких сплавов — дюралюминия (при клепаной конструкции) и алюминиево-магниевых сплавов (при использовании сварки), Физико-механические свойства этих металлов, так же как и других материалов, применяемых для изготовления лодочных корпусов, приведены в табл. 5.
Дюралюминий — сплав алюминия с медью (около 4 %), магнием (1,5 %) и марганцем (0,5 %) — принадлежит к так называемым недеформируемым и термически упрочняемым сплавам. Для постройки лодок чаще всего применяют листы из дюралюминия Д16АТ, подвергаемые закалке для достижения высокой прочности. Это позволяет применять для наружной обшивки сравнительно тонкие листы: 1,5—2 мм для днища и 1,2—1,8 мм для бортов (при длине лодки 3,5—5 м).
Таблица 5
| Материал | Плотность γ, г/см³ | Модуль нормальной упругости E, кгс/см² | Временное сопротивление разрыву σв, кгс/см² | Предел текучести σт, кгс/см² | Допустимое напряжение на изгиб σдоп, кгс/см² | Относитель- ное удлине- ние δ, % |
| Дюралюминий Д16Т (закаленный) | 2,80 | 7,4 · 105 | 4600 | 3000 | 1800 | 17 |
| Дюралюминий Д16А (отожженный) | 2,80 | 7,4 · 105 | 2100 | 1100 | 700 | 18 |
| Алюминиево-магниевый сплав АМг5 | 2,65 | 7 · 105 | 3000 | 1500 | 900 | 18 |
| Сталь | 7,85 | 2 · 106 | 3800—4700 | 2400 | 1680 | 21—23 |
| Стеклопластик | 1,6—1,75 | 1,9 · 105 | 2500—3000 | — | 750—950 | 2,5 |
| Фанера авиационная | 0,85 | — | 600—800 | — | 170—230 | — |
| Фанера бакелизированная | 1,0 | — | 1000—1100 | — | 280—310 | — |
| Древесина сосны | 0,53 | 1 · 105 | 500 | — | 100 | — |
Примечание. Прочность на разрыв для фанеры и дерева указана при действии нагрузки вдоль волокон. |
||||||
Попытки согнуть дюралевый лист в обычном холодном состоянии под малым радиусом приводят к появлению трещин в материале, поэтому необходима предварительная термообработка — отпуск. Заготовка нагревается до 350 °C, затем ей дают остыть на воздухе. После гибки деталь нужно вновь закалить нагревом до 500 °C и охлаждением в воде.
Хотя в принципе сварка дюралюминия возможна, при постройке корпусов малых судов она не применяется. При нагреве металла в зоне сварного шва происходят явления, подобные отжигу, при которых сплав утрачивает прочность. Обычно прочность сварных соединений дюралюминия составляет 40—60 % прочности основного металла.
Существенным недостатком дюраля является его сравнительно низкая коррозионная стойкость, особенно в морской воде. Причиной тому являются образующиеся в воде электролитические микропары алюминий—медь. Особенно интенсивно коррозия развивается в соленой морской воде, поэтому эксплуатация лодок с корпусами из дюралюминиевых сплавов в морских условиях не рекомендуется. Обычно листы металла, выходящие с прокатного завода, покрывают тонким слоем чистого алюминия — так называемым плакирующим слоем, для защиты дюралюминия от коррозии в процессе производства и хранения металла. Готовые корпуса из дюралюминия нуждаются в тщательном лакокрасочном покрытии по специальной схеме (см. стр. 326).
Рис. 44. Типичная конструкция клепаной мотолодки из легких сплавов.
1 — киль из двух угольников 30×30×3; 2 — полоса 1×60; 3 — стрингер 20×20×2; 4 — флор δ = 1,5; 5 — шпангоут, δ = 1,5; 6 — угольник — опора сидений 30×30×3; 7 — углобульб 25×20×2; 8 — углобульб 35×20×2; 9 — настил палубы, δ = 1,5; 10 — углобульб 25×30×2; 11 — обшивка борта, δ = 1,5; 12 — отбойный углобульб 25×20×2; 13 — полоса 1×50 снаружи и изнутри; 14 — обшивка днища, δ = 1,5.
Типовая конструкция клепаной дюралюминиевой лодки представлена на рис. 44. Основной принцип — в подкреплении тонкой обшивки большим числом продольных ребер жесткости — стрингеров, которые опираются на сравнительно редко расположенные шпангоуты. Элементы клепаных соединений приведены на стр. 330.
Алюминиево-магниевые сплавы АМг составляют группу термически неупрочняемых деформируемых и свариваемых легких сплавов. В мелком судостроении наибольшее распространение получили сплавы марки АМг5 (5 % магния), предназначенные для листовых конструкций и АМг61 для листов и профилей. Листы и профили из этих сплавов обладают пластичностью, позволяющей подвергать их гибке в холодном состоянии, хорошо свариваются в среде защитных инертных газов (чаще всего применяется аргоно-дуговая электросварка): прочность сварных швов обеспечивается не ниже 90 % основного металла. Сплавы типа АМг обладают более высокой коррозионной стойкостью, чем дюралюминий, и могут использоваться для корпусов судов, эксплуатируемых в морской воде.
Как видно из табл. 5, алюминиево-магниевые сплавы обладают несколько меньшей прочностью, чем дюраль, поэтому обшивку лодок приходится делать более толстой, чтобы обеспечить при эксплуатации ровную, без вмятин, поверхность корпуса. А в случае изготовления сварного корпуса очень трудно избежать коробления тонкой обшивки при ее сварке с набором: по сравнению со сталью алюминий обладает в 2 раза более высоким коэффициентом линейного удлинения при нагреве, поэтому и деформации при сварке соответственно больше. Все это заставляет использовать для наружной обшивки листы толщиной не менее 2 мм, а при сварке корпусов длиной более 5 м — уже толщиной 3—4 мм.
Первой цельносварной лодкой из легких сплавов является мотолодка «Крым»; ее опытные образцы были изготовлены в 1969 г. Тогда ее конструкция в известной мере копировала клепаный корпус — с большим числом продольных ребер жесткости, привариваемых к наружной обшивке. Длительный опыт эксплуатации позволил выявить слабые места в этой конструкции — соединения продольного и поперечного набора и т. п. и рекомендовать более рациональную схему подкрепления днища — в виде П-образных штампованных поперечных флоров, привариваемых к обшивке по фланцам. Для уменьшения коробления обшивки в процессе сварки уменьшены протяженность и калибры сварных угловых швов, увеличен объем контактной электросварки.
Рис. 45. Типичная конструкция корпуса мотолодки, изготовленного из алюминиево-магниевого сплава с применением штамповки и сварки. Помимо продольных зигов, днище подкреплено поперечными П‑образными штампованными флорами.
Другой путь уменьшения объема сварки корпуса — применение штампованных конструкций обшивки с ребрами жесткости в виде гофров или зигов (рис. 45).
Для постройки пластмассовых корпусов в отечественном судостроении используются исключительно стеклопластики. Исходными материалами для них являются ненасыщенные полиэфирные смолы и армирующие стеклонаполнители в виде тканей, холстов и жгутов (ровницы). Постройка или формование корпуса лодки производится в матрице — обычно разъемной по килю наружной форме корпуса. Поверхность матрицы тщательно шпаклюется и полируется, благодаря чему наружные поверхности корпуса лодки получают блестящую глянцевую поверхность. При формовании на матрицу сначала наносят разделительный слой, например, из поливинилового спирта или воска, который обеспечивает свободное отделение готовой обшивки от поверхности матрицы. Затем наносят декоративный слой связующего — смолы с соответствующими добавками — ингибитором и инициатором (см. стр. 346), а также пигментом для окрашивания этого слоя в желаемый цвет. После желатинизации декоративного слоя начинается формование обшивки, которое состоит в последовательной укладке слоев армирующей стеклоткани и тщательной прикатке их валиками к поверхности формы. В зависимости от толщины армирующей ткани таких слоев укладывают 4—8 (для корпусов длиной до 6 м).
Стеклоткань придает пластику необходимую прочность. Наиболее прочный и плотный пластик получается при использовании тонкой ткани сатинового переплетения типа Т-11‑ГВС-9 по ГОСТ 19170—73 (прежде эта стеклоткань выпускалась с индексом АСТТ (б)-С2О). При собственной толщине ткани в 0,38 мм один ее слой в обшивке дает толщину 0,5 мм. Другой тип тканей, используемых для формования корпусов лодок, — стеклорогожа или ткань жгутового переплетения. Эта ткань более толстая — например, марки ТР-07 имеет толщину 0,7 мм, поэтому для получения той же толщины обшивки, что и при использовании сатиновой ткани, достаточно уложить вдвое меньшее количество слоев рогожи. Однако плотные жгуты волокон рогожи хуже пропитываются связующим и при слабой прикатке слоев к матрице такая обшивка нередко фильтрует воду. Поэтому часто обшивку формуют из тканей обоих типов: наружные слои делают из сатиновой стеклоткани (при большой толщине прокладывают также один-два промежуточных слоя между стеклорогожей), внутренние — из стеклорогожи.
Для формования используется еще так называемая стеклосетка СЭ — очень тонкая и редкая ткань, хорошо пропитываемая связующим. Уложенная в самый наружный слой, она выравнивает поверхность, скрадывает грубую текстуру нижележащего слоя стеклоткани и хорошо держит слой окрашенного связующего.
При использовании любого стеклонаполнителя стараются выдержать соотношение массы связующего со стеклотканью примерно 1 : 1. В отечественном судостроении получила применение полиэфирная смола типа НПС-609‑21М — менее токсичная и более дешевая, чем эпоксидные смолы ЭД-5 и ЭД-6, используемые чаще всего для ремонта.
Рис. 46. Типичное поперечное сечение гребной (а) и моторной (б) лодок из стеклопластика.
1 — киль, заполненный пенопластом или стекложгутом со связующим; 2 — стойка-пиллерс; 3 — поперечная банка; 4 — высадка в бортах для крепления банок и обеспечения жесткости; 5 — приформовка из нескольких полос стеклоткани («мокрый угольник»); 6 — фанерный киль; 7 — «мокрые угольники» крепления киля; 8 — фанерный пайол; 9 — флор из фанеры; 10 — высадка продольного редана; 11 — палубная секция корпуса; 12 — дюралюминиевый угольник — привальный брус; 13 — секция корпуса.
Толщина обшивки легких пластмассовых гребных лодок составляет обычно 2,5—3 мм; глиссирующих корпусов длиной до 5 м — 4—6 мм, толщина их бортов — 3,5—5 мм. Как правило корпуса гребных лодок не нуждаются в подкреплении набором, их жесткость и прочность обеспечивается благодаря различного рода высадкам и гофрам в обшивке, а также пенопластовым заполнителям и банкам (рис. 46, а). Днище глиссирующих лодок подкрепляют продольными стрингерами и флорами из фанеры или пенопласта, оклеенного снаружи стеклопластиком (рис. 46, б).
Значительное число гребных лодок строится в СССР из шпона — древесно-слоистого пластика, выклеенного из тонких (0,5—1,5 мм) и узких (50—200 мм) полос, которые получаются лущением с вращающейся круглой заготовки — березового чурбана. Чурбан предварительно пропаривают и лист шпона снимают с него ножом по спирали. Из нескольких слоев, накладываемых друг на друга перпендикулярно, склеивают обычную фанеру. Узкими полосами шпона можно покрыть поверхность любой кривизны, а если их склеить на этой поверхности в несколько слоев, то после высыхания клея получится легкая и прочная скорлупа. Иногда лодки из шпона называют лодками из формованной фанеры.
Шпоновая (скорлупная) обшивка обладает такими ценными свойствами, как монолитность и эластичность при небольшой объемной массе. Как и стеклопластик, она нуждается в минимальном подкреплении набором, в то время как готовая скорлупа практически при такой же толщине весит вдвое легче пластмассовой. Формование корпусов из шпона механизировано — лодки запрессовывают в автоклаве при температуре 60 °С и давлении 3 кгс/см². Склеивание полос шпона, которые располагают на форме-болване, под углом 45° друг к другу (обычно три-пять слоев), производят на водостойком клею ВИАМ-Б3. Толщина готовой обшивки составляет 4,5—5 мм. Корпуса шпоновых лодок не имеют шпангоутов, обшивка подкрепляется килем, стрингерами и привальными брусьями; поперечную жесткость корпусу придают банки.
Дерево как судостроительный материал используют и при изготовлении сравнительно крупных яхт и при самостоятельной постройке катеров. Однако и здесь классическая конструкция деревянного корпуса заменяется на обшивку, клеенную из узких реек, отдельные поясья которой надежно соединены между собой при помощи водостойкого клея и гвоздей. Гнутоклееные или ламинированные конструкции используют и при изготовлении таких деталей набора корпуса, как шпангоуты, киль, бимсы, и т. п. Благодаря этому удается изготовить корпусные детали из небольших по размерам качественных заготовок древесины. В своем классическом виде — с наборной клинкерной обшивкой (кромка на кромку) — деревянные корпуса можно видеть только на гребных лодках-фофанах.
Недостатки древесины как судостроительного материала хорошо известны: дерево впитывает влагу и рассыхается, изменяя свои размеры, подвержено загниванию и повреждению древоточцами, имеет неодинаковую прочность при нагружении вдоль и поперек волокон; постройка легких и прочных корпусов связана с тщательным отбором древесины и высоким качеством работ.
Для наружной обшивки деревянных судов применяют сосну, ель, кедр; для набора корпуса кроме сосны используют дуб и ясень — твердые и очень прочные породы древесины. Некоторые широко распространенные породы, например, береза, осина, бук, ольха для постройки корпусов лодок непригодны. Они сильно впитывают влагу, легко загнивают, особенно в контакте с металлическим крепежом, и не обладают достаточной прочностью.
Для обшивки, палуб и надстроек малых судов широко применяется фанера. Наиболее прочной и водостойкой является бакелизированная фанера марок БФС и БФВ по ГОСТ 11539—73, которая выпускается толщиной 5, 7, 10 и 12 мм. Эта фанера имеет большую объемную массу — 1,2 т/м³, при окраске с нее необходимо удалять наружный слой смолы.
Рис. 47. Конструкция корпуса лодки с фанерной обшивкой.
1 — киль 25×75; 2 — флор, фанера δ = 6; 3 — днищевой стрингер 15×30; 4 — флортимберс 18×50; 5 — скуловой брус 25×40; 6 — бортовой стрингер; 15×30; 7 — внутренний привальный брус 22×33; 8 — обшивка δ = 4—5 на бортах и δ = 5—6 на днище.
Там, где наиболее важны прочность и небольшая масса конструкции, используют 5‑слойную авиационную фанеру марок БС-1, БП-1 и БПС-1 по ГОСТ 102—75. Слои этой фанеры склеены бакелитовой пленкой и смолой С-1; она выпускается толщиной от 1 до 12 мм. Для корпусов небольших моторных лодок при условии тщательного наружного покрытия корпуса (лучше всего оклейка стеклопластиком) может быть применена строительная фанера марок ФСФ или ФК по ГОСТ 3916—69.
Фанера, как и любой другой листовой материал, нуждается в хорошем подкреплении набором с тем, чтобы исключить ее «работу» как мембраны — со знакопеременными колебаниями. Современная тенденция — к применению преимущественно продольного набора, опирающегося на редко поставленные жесткие поперечные шпангоутные рамы или переборки. В качестве набора используются фанерные же элементы конструкций, такие как выгородки рундуков, воздушных отсеков и т. п. Ряд небольших гребных лодочек строят без традиционных реек в соединении по скуле и килю — здесь используют проволочные скрепки и склейку по пазам снаружи и изнутри лентами из стеклоткани на эпоксидном связующем.
Типичная конструкция 4‑метровой гребно-моторной лодки с фанерной обшивкой представлена на рис. 47. Расстояние между жесткими шпангоутными рамами в этом корпусе составляет 750 мм.
Фанерные лодки могут служить в течение 10—12 лет при правильной конструкции и хорошей защите наружной поверхности. Большое значение имеет надежное закрытие всех кромок фанеры по скуле, транцу, по линии борта — именно отсюда начинается расслоение фанеры и ее загнивание.
Стальные корпуса малых судов довольно редки. Вследствие большой объемной массы стали использование этого материала становится оптимальным при сравнительно больших размерениях судов — длине 6 м и более. Такие корпуса строят из обычной углеродистой стали марки Ст. 3 по ГОСТ 380—71 или из стали повышенного качества марки Ст. 15 по ГОСТ 1050—74. Толщина наружной обшивки на лодке длиной 6 м составляет от 1,2 мм, на катере длиной более 12 м — до 3 мм. Набор делается из полос, полособульбов и угольников соответствующих размеров (обычно высотой профиля от 25 до 60 мм в указанных пределах длины 6—12 м).
Наиболее простой и дешевый способ постройки стальных корпусов — сварка. Однако даже опытным сварщикам сложно обеспечить качественный шов при толщине металла немногим более миллиметра. Так как обшивку при сварке сильно коробит, то обычно берут листы толщиной не менее 2 мм, что существенно утяжеляет корпус. При клепаной конструкции можно выбрать минимальную (0,8—1,2 мм) толщину листов.
Стальные корпуса не только тяжелее аналогичных по размерам деревянных, пластмассовых и алюминиевых, но и требуют большего внимания при эксплуатации.