Определение высоты для шпангоутов

Достаточно простая, но ответственная и требующая некоторой физической силы процедура, в изготовлении катамарана.

Надуваем полностью один любой баллон. И помещаем его линейный центр под блоком в потолке помещения. Собираем целиком продольную балку, закрепив на концах её груз, для труб Ø 50 мм, желательно не менее 60-80 кг с обеих сторон и зафиксировав концы продольной балки на высоте порядка 350 мм. Блоком, закреплённым за центр продольной балки поднимаем центр, и балка, искривляясь, приобретает форму, которая определяет высоту положения палубы над баллонами. Концы продольной балки, конечно, находятся над баллоном. Благодаря жёсткости концевых труб продольной балки, их изгиб и искривление будет минимальным. Изгиб в основном происходит в соединительных втулках и центральной продольной трубе. Подбираем нагрузку на блоке, добиваясь оптимума изгиба и как следствии нужной высоты её над баллоном в центральной части, контролируя прижим к носовой и кормовой части. После окончательного выбора, проверяем соответствие с чертежами реальный изгиб продольной балки. И измеряем высоту над баллоном в точках нахождения шпангоутов. Они должны незначительно отличаться от теоретических, и находиться в допуске ±3 мм.

Изготовление шпангоутов

Предварительно обдумывались экзотические варианты изготовления, начиная от углепластиковых формованных, до пластинчатых сварных, но жизнь взяла своё. Простота и технологичность трубного исполнения пока не имеет конкуренции. А крепление на болтах и заклёпках неоднократно подтвердило свою надёжность.

При технологической обработке Д16Т, для трубы, желательно сделать термический отпуск в печи, увеличивая её пластичность при изгибе. Применение шаблона и трубогиба также способствуют облегчения работы. Но не всегда наши технологические домашние возможности это позволяют.

1. 
   Листовой материал Д16 или АМГ толщиной 2.5 мм (1.5 м. кв.*)
   
2. 
   Струбцины
   
3. 
   Электролобзик
   
4. 
   Напильники
   
5. 
   Наждачная бумага
   
6. 
   Сдвоенный лист ДСП 600х300 мм.
   
7. 
   Труба Д16Т 28х2 (18 метров *)
   
8. 
   Тиски
   
9. 
   Сверла
   
10. 
    Перчатки (* -примерный диаметр трубы и толщины листового материала)
    

Исходя из ранее сделанных прототипов, предлагается простой вариант изготовления, требующий только оправки с нужным радиусом, тисков и некоторой физической силы. Безусловно, можно и не изгибать полностью всю трубу, а обеспечить такую конструкцию, при которой продольный трос, проходящий через шпангоут, находился бы на половине диаметра баллона.

Шпор и шпрюйт подмачтовой балки

Крепление тросов внизу шпрюйта

Исходя из полученных уже практически размеров баллона, его диаметра, и изгиба продольной балки над баллоном, можно прорисовать в масштабе 1:1 все четыре необходимых шпангоута и определить высоту над баллоном продольной балки в разных точках. При этом необходимо учитывать, что сплайн изгиба балки на длине в 6 метров не соответствует реальному изгибу. Поскольку в сплайне не учитывается составные части продольной балки и их скрепление через переходные муфты. Сгиб в большей части, происходит в серединной трубе и в муфтах соединения, за счет люфтов и зазоров в соединениях.

Концы продольных труб за счет жесткости труб на изгиб, не прилегают вплотную к баллону, поэтому на баллоне и имеются пластины притяжения кормы и носа к концам продольной трубы.

Перед началом изготовления шпангоутов в домашних условиях желательно изготовить приспособление для изгибания труб с необходимыми радиусами. За счет упругости труб, надо учитывать радиусы приспособления и радиуса минимального загиба. Они, как правило, на 1/3 меньше.

Загиб начинается с фиксации конца трубы в нижнем хомуте оправки и постепенном увеличения усилия на загиб свободного конца. После каждого минимального загиба трубу продвигают вниз на 3-5 мм и усилие на загиб повторяют. При выходе из оправки длины в 100-120 мм, трубу вынимают и проверяют радиус изгиба на шаблоне. Сначала радиус будет недостаточен, но после 3-4 циклов изгиба радиус достигнет необходимого. Далее, трубу придётся повернуть на 180º, чтобы сделать изгиб в другую сторону, в соответствием с плавным прилеганием шпангоута к баллону и минимальному расстоянию вокруг продольной балки. После совпадения изгиба трубы в соответствии с шаблоном её обрезают с запасом в 20 мм с двух сторон. При изгибе следует следить за соосностью изгибаемой части по всей длине и не допускать искривления в других плоскостях, кроме изгибаемой части трубы. Всего необходимо изготовить 16 боковых и 8 верхних изогнутых частей для начала подгонки к диаметру баллона. Основной трудностью будет подгонка верхней изогнутой части. Её концы имеют не только радиусный пропил боковых труб, но и неравномерность изгиба по длине, поэтому придётся много раз проверять на плотность прилегания этих частей, и доводить поверхность прилегания до минимального расстояния.

Для скрепления трех частей шпангоута необходимо изготовить две щечки с отверстием для продольной трубы, выверенным по чертежами практически, над высотой баллона.

Его изготовление не представляет трудностей при наличии электроинструмента. Желательно точно разметить и выпилить циркульным резцом отверстие под балку. Дальше все кромки обрабатываются с плавным радиусом, особенно внизу, где может происходить контакт с материалом баллона, размечаются и засверливаются. Сверление труб производят на горизонтальной плоскости, прижимая изогнутую трубу струбциной, чтобы обеспечить вертикальность отверстий. Разметка этих точек сверления производят через отверстия щечек, строго по месту и индивидуально попарно для каждого шпангоута. Далее, для крепления распорной трубы, так же необходимо изготовить распорные треугольники со скруглёнными углами, они могут быть одинаковые по размеру для всех шпангоутов, но с разными точками крепежа, по чертежу. Длина этих распорок строго попарно индивидуальна, и взята из предварительного чертежа этого шпангоута. Крепёжные отверстия так же соответствуют чертёжным размерам. В связи с необходимостью компактной конструкции, распорная труба сделана откидной.

Из фото видно, что отверстия под продольную трубу явно находятся не на одном уровне, и зависят от изгиба продольной балки над баллоном. Максимальный уровень находится на мачтовом шпангоуте, минимальный - на кормовом.

Для облегчения щечек, сделаны выборки с двух сторон от средней оси. В целом, данное исполнение шпангоутов прошло неоднократную проверку на трех прототипах и показало высокую надежность. К особенностям данной конструкции следует отнести следующие моменты: концы шпангоутов, которые находятся у середины баллона, отодвинуты от радиуса изгиба на 1-1.5 см от осевой наружу. Для того, чтобы при нагрузке на баллон и его овальной форме, концы не врезались и не тёрли середину баллона. Также в концах трубок сделаны пропилы для фиксации тросов и опоры самих шпангоутов на трос. Несмотря на плотное прилегания шпангоута к баллону он фактически опирается на трос, а продольная балка не даёт изменить центр давления в сторону от оси баллона.

Каркас руля и перо руля

Обрамление руля для коробки и поворота

Продольный трос в кармане и усиления баллона

Конструкция катамарана и баллонов для него определила выбор типа крепления баллона к каркасу катамарана. Каркас крепиться гибкими тросами, расположенными продольно вдоль серединной оси баллона почти по всех его длине. Для определения места на криволинейной поверхности баллона для карманов с тросами, необходимо собрать всё изготовленное ранее, и полюбоваться сделанным. (Шутка:) Процедура вывешивания баллона повторяется, только уже на продольную балку надеваются шпангоуты в нужном порядке, она изгибается, и вся эта конструкция надевается на баллон. При помощи любой веревки или шпагата от точек носового и кормового шпангоута до точки, находящейся на середине баллона, определяем положение троса натяжения баллона и его кармана. Другие точки крепления троса на продольной балке лежат на расстоянии 70-90 см. от концов. Учитывая, что карманы не будут подниматься прямо к продольной балке, и что надо оставить место для заплетения тросов, их длина и места окончания определяют фактически помечают шариковой ручкой.

Сами карманы изготавливаются из двойной ткани, шириной порядка 2.5-3 см, по длинам определённым в процессе разметки и приклеиваются предварительно на надутый баллон. Тщательно прогреваются и окончательно прокатываются валиком уже на сдутом.

Усиления под шпангоуты также делаются в два слоя. Первый – шириной 15-20 см, второй – немного уже, на 1.5-2 см. Их наличие позволит продлить срок службы баллона, путем замены этих слоёв ткани. Приклейка усиления аналогична приклейки кармана под трос.

Усиление под продольную балку и крепеж его к баллону не носит особенностей. Его можно сделать путем приклейки дополнительных слоев ткани на баллон, приклейки пластин из пластика на баллон, предусматривающих крепеж самой балки пластиковыми стяжками, или другим способом. Концы и носы баллонов должны быть подтянуты и закреплены к продольной балке.

Окончательная отделка баллона занимает столько же времени, сколько заняло изготовление самого баллона. Только после этого можно оценить форму получившегося баллона, и измерив его сличить с теоретическими размерами. Очень бы хотелось, чтобы они отличались на возможно меньшую величину. Возможные искажения, как опускание или задирание носа и кормы, в результате приклейки, не сказываются в дальнейшем. Гораздо худшим вариантом будет искривление его в осевой проекции.

Изготовление каркаса катамарана

К большому сожалению, рост среднего человека находится в пределах 1.65-1.85 метра. Исходя из этих антропологических параметров, вся инфраструктура человека приспособлена под эту величину. Ширина и высота проёмов двери, высота потолков и прочие ограничивающие нас параметры, заставляют подстраивать нашу конструкцию для перемещения её транспортом и в транспорте. Основной ограничивающий размер – максимальная длина трубы входящая в вагон поезда, желательно дальнего следования, ограничена 2.20 метра. Поэтому, во избежание пиления труб на перроне, за 5 мин до отхода поезда, максимальная длина любой трубы не превышает эту величину. Конечно, если ограничить себя только кольцевым маршрутом, или проблемами с грузовым автотранспортом, можно и не делать сборную конструкцию, а делать всё максимально возможной длины. Но тогда исчезает основной подход и принцип сборности-разборности конструкции, её мобильности для любых перевозок любым транспортом в любое место. Очень жаль, что мы не выбираем место и страну своего рождения, иначе сделали бы совсем другое судно и по-другому…..

Итак, после небольшого отклонения от темы, мы определились с длиной труб. Её величина лежит в пределах 2-2.20 метра. Эта величина включает уже длину возможных вставок, как внутренних, так и наружных. Их величину надо брать в пределах 25-45 см.

Для продольных балок и труб, используются наружные вставки, они же и дополнительно предохраняют сами трубы от истирания поперечными, для поперечных – можно использовать и те

Коробка руля

Поворотный узел румпеля

и другие. Наружные концевые вставки поперечного набора обработаны на расточном станке (что не исключает ручной труд ) под диаметр наружных продольных вставок, и упираются в них.

Выбор диаметров труб для продольного и поперечного набора был определён прототипами и прошёл жесткую длительную эксплуатацию на Белом море, Ладоге и Онеге. В нашем случае, для продольных труб он составляет Ø 50 мм, для подмачтовой поперечной балки Ø 75 мм, для остальных труб: от Ø 60-70 мм., сплава Д16Т.

Вытяжные болты, как весь остальной крепеж – нержавеющий. Частично, можно заменить болты шпильками, это обходится немного дешевле, но придётся применить ручное нарезание резьбы, что не так просто, как кажется.

Тросовый набор: нижний паук из тросов Ø 6 мм, плетения 7х19 н/сталь, продольные баллонов Ø 4 мм, такого же плетения, остальные Ø 3 мм. Концы тросов заплетены в коуши и запрессованы в алюминиевые трубки, а у паука – в нержавеющие. В связи с достаточно высокой стоимостью тросов, желательно предварительно промерить любой веревкой необходимую длину тросов и только после этого покупать их. В крайнем случае, их длина берётся из теоретического чертежа. Удлиняющие линейки так же нержавеющие. Их длина определяется на месте. Талрепы, карабины, блоки, стопора – покупные изделия в яхтенных магазинах.

Назначение и изготовление шпрюйта

Узел, определяющий конструктивную особенность данного типа катамаранов и компенсирующий давление и вес мачты на подмачтовую балку и каркас катамарана.

Если вес всей мачты давит на поперечную подмачтовую балку, то она имеющая такой же диаметр, как и сама мачта, будет изгибаться и представлять самое слабое, с конструктивной точки зрения, место, несмотря на усиление этого места путём дополнительной двойной вставки. Чтобы скомпенсировать вертикальное давление, применены тросовые растяжки из под мачты к продольным концам подмачтовой балке. Таким образом, нижние троса изгибают балку вниз, а ванты и полу-ванты с мачтой изгибают балку вверх, получается равновесная конструкция. Дополнительно, диагональные троса идут к концам продольных балок, обеспечивая гибкость всей конструкции при изгибах продольных балок относительно центра катамарана.

Конструктивно шпрюйт представляет собой кусок трубы, закреплённый точно под мачтой и удерживаемый шаром-опорой мачты. Через конец шпрюйта проходят 2 пары диагональных растяжек и сквозная поперечная – к подмачтовой балке, с талрепом на одной стороне. Передние троса имеют талрепы для регулировки натяжения передних и задних пар растяжек.

Длина шпрюйта определяется теоретически и из прототипов, исходя из того, что только под максимальным весом катамарана нижний конец шпрюйта может касаться поверхности воды при штиле. Минимальная длина равна сумме половины диаметра баллона и высоты подмачтовой балке над баллоном. Обычно, длина шпрюйта равна минимальной длине плюс 1/6 максимального диаметра баллона.

Изготовление руля

Прежде чем приступить к изготовлению руля, необходимо определиться с его площадью и формой.

Площадь руля, вместе с площадью шверта образуют совместную подводную противодействующую силу, которая должна быть пропорциональна воздушной (парусной и баллонной) частям, а форма – обеспечивать легкое управление, жёсткое крепление в рулевой коробке и плавный подъем рулевого пера при минимальных усилиях.

Из [1] стр.122 воспользуемся формулой (6.11)

Ar = LT/K где: Ar – площадь руля

L -длина судна

Т -осадка у миделя

К -коэффициент для водоизмещающих судов = 10-15

Предварительно, рассматривая процедуру и материалы для изготовления шверта и пера руля, было перебрано множество вариантов, как реально существующих, таки возможных для

Каркас шверта

Профиль шверта

Каркас шверта при виде во внутрь

домашнего изготовления и выбран оптимум по трудозатратам и сложности изготовления. (На будущие проекты очень заманчиво применить сотовые конструкции в материале руля и шверта)

Из [1] следует: “Дополнительное преимущество даёт обтекаемый профиль, который при равной с плоским для одинаковых углов дрейфа величине Ry имеет заметно меньшее сопротивление”. Поэтому с своих расчетах и эскизах предпочтение отдаём рассчитанному рулю и шверту по профилю NASA [1] стр. 122.

[1] таблица 6.1

			Отстояние сечения от передней кромки, % хорды
0	1.25	2.5	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
0	31.6	43.6	59.2	78	95.6	100	96.7	88	76.1	61	43.7	24.1	2.1

Можно резюмировать, что, окончательным выбором для материала поверхности пера руля является сплав Д16Т толщиной от 1 до 1.5 мм, или листовой стеклотекстолит чуть большей толщины – от 1.5 до 2 мм.

Листовой стеклотекстолит обладает отличными характеристиками, за исключением трудности в образования криволинейных поверхностей, поэтому переднюю кромку пера руля пришлось бы делать через пресс-форму, или другим трудоёмким путём, или заменить её на листовой металл, поэтому, как материал для обшивки пера руля и шверта от него пришлось отказаться.

Листовой материал (Д16Т) имеющийся в продаже, имеет линейные размеры 1.5 х 3 метра, и из него можно выкроить всё и еще останется запасной приличный кусок для замены или ремонта. Предварительную заготовку можно вырубить (кто имеет возможность на месте) или выпилить электрическим лобзиком с припуском порядка 20 мм во все стороны. Сплав Д16Т так же неплохо обрабатывается ручным резаком, сделанным из обломка ножовочного полотна, что обязательно будет сделано при точной подгонке кромок и формы пера руля.

Основная трудность при начальной обработке этого листового куска, это правильно и аккуратно согнуть его вдоль длинной стороны. Это можно сделать вручную и на прессе, опять же, кто имеет возможность. (Для них сообщаю: минимальный радиус на уголке для загиба составляет 5 мм. При меньших – появляется опасность растрескивания сгиба, а возможности предварительной термообработки для отпуска и получения пластичности на момент гнутья – нецелесообразная акция.) При ручном изгибе необходимо сделать на противоположных сторонах листа отверстия, их совместить и зафиксировать болтами М5 через 10-15 см. Далее, поместив заготовку межу 2 платами ДСП – сплющить, контролируя сгиб. Не стоит увлекаться и доводить сгиб и толщину поверхности пера руля до 2-4 см. Достаточно предварительно правильно и ровно сделать переднюю кромку пера руля. Уменьшить радиус можно в тисках впоследствии, зажимая саму кромку, но, не опуская её на плоскость тисков, а желательно подложить какой либо мягкий материал, чтобы в процессе сдавливания, передняя кромка могла опускаться вниз симметрично. Если этого не сделать, то какая либо сторона плоскости будет подниматься вверх, меняя размер задней кромки и искажая переднюю кромку, делая её не симметричной. При этом необходимо помнить, что сгиб не должен быть равномерным, а идти на уменьшение радиуса вниз, поскольку длина хорды меняется. В верхней части ( в точке крепления оси поворота) он максимальный (400 мм), внизу (350 мм) минимальный.

Толщину пера руля посчитать легко, зная дину хорды и общие размеры рулевой коробки. Жёсткость и толщину пера руля дополнительно обеспечивается вертикальной сплющенной трубой, через которую проходит ось поворота и передней и задней распоркой, так же находящиеся в максимальной толщине пера руля, вблизи оси вращения. Переднюю распорку, её переднюю часть, кроме того, что она немного сплющена, необходимо доработать до профиля внутреннего изгиба поверхности листа, её максимального и плотного прилегания, и образования формы передней кромки.

Если вверху перо руля открыто, и достаточно широко, то внизу оно должно сходиться на “нет”, желательно плавно. Это может быть реализовано несколькими способами. Самый простой – это в самый низ пера руля, на расстоянии примерно 20-25 мм от кромки плоскости, вставляется пластина, толщиной 5-6 мм, которая обжимается плоскостями и крепится к ним. Эта пластина обрабатывается по форме и профилю наиболее соответствующей представлению об ударных нагрузках при подходе к берегу и обтекаемых при движении сопротивлениях. При таком простом исполнении необходимо помнить о компромиссе, между формой обтекания и простотой изготовления. Поскольку пластина не может иметь ламинарное обтекание, и её присутствие приводит к искажению формы примерно 1/3 низа пера руля. Как более сложный и трудоёмкий вариант можно сделать специальную вставку, как из металла, так и нейтрального к морской воде пластика, обладающего ударопрочными характеристиками. Обработка стеклопластика представляет проблему при его толщине уже в 3 мм, а профилирование его при 25 мм толщины покажется вручную почти невозможным. Но, при достаточном усердии и терпении можно сделать и это.

Порядок сборки всего пера руля не сложен. На согнутый лист крепим пластины жёсткости, с уже просверленной осью поворота. Они крепятся винтами, с головками “впотай”, что б не мешали при вращении. Далее, нужно зажать внутреннюю распорку вместе с боковыми и нижним гребнем руля, и поместить их внутрь согнутого листа. Зафиксировать задние кромки болтами и выровнять всю конструкцию, вставив ось поворота. После полной уверенности, что всё соответствует предварительным эскизам или чертежам, можно крепить лист вытяжными заклёпками. Они крепятся к внутренней вертикальной и поперечным распоркам. После фиксации листа на внутренних распорках можно обрезать излишки металла по краям листа и обработать кромки. Это удобно сделать ручным резцом. Далее, между задними кромками листов вставляем полоску этого же листа, шириной 20 мм. Она должна выходить за кромки не более 5 мм. Таким образом, получается плавное окончание задней кромки руля и его схождение на “нет” в соответствии с расчётами и формой NASA. Задние кромки листа, образующие поверхность пера руля последовательно освобождая от болтов крепления, скрепляются обычными заклёпками, контролируя линейность задней кромки. На всём изделии, его кромках, обрабатываются и удаляются заусенцы и неровности. Гребень пера руля фиксируется 1-2 винтами с разных сторон.

После изготовления пера руля, вставляем его в коробку руля и проверяем поворот, вокруг оси, на подъем и опускание. Если необходимо, подгоняем толщину пера руля в коробке, дополнительно сплющивая её в центральном месте, зоны максимальной толщины.

Румпель руля изготовлен из промышленного изделия, из раздвижного отпорного крюка, с максимальным размером 1.80 см, что с запасом хватает на палубе 2.70 см. и возможным открениванием. Пластиковый наконечник аккуратно снят, внутрь трубки сделана усиливающая втулка ( поскольку толщина стенки 0.5 мм), сделан полукруглый захват из пластины н/ж стали и зажимом винта М5. На удлинителе румпеля, который идёт к рулевой коробке поставлен щелевой стопор, для фиксации фала пера руля в поднятом состоянии.

Рулевая коробка сделана из листового Д16Т, толщиной 3 мм, облегченного высверленными отверстиями и усиленная с двух сторон пластинами по 5 мм. Данная конструкция позволяет крепить румпель руля (трубу) не на ось поворота и вращения, а точно по центру коробки руля, упрощая и усиливая это место крепления. На румпеле крепиться стопор подъема руля, производиться проводка фалов.

Баллер руля представляет пруток н/ж стали Ø12 мм, находящийся в пластиковом (из капролона) бруске, и обработанным с одной стороны радиусно, для свободного поворота руля в коробке. Брусок так же облегчён, высверливанием отверстий по всей длине. Баллер сверху крепится обжимным хомутом, шириной в 40 мм, на рулевой балке, а снизу – на треугольной распорке, два конца от которой идут на рулевую балку, а одна на кормовую.

<предыдущая страница | следующая страница>