Хроника проектирования катамарана Азов-С
Предисловие спустя два года от начала статьи.
За эти пару лет я выслушал много отзывов на статью. Совсем ругательных не было. Полемики достаточно. Но главное, в чем я убедился - это продолжающийся информационный голод. Профи его давно прошли, а вот для начинающих любая информация на вес золота. Так что буду потихоньку продолжать расширение статьи, тем более что сам очень доволен полученным результатом. Для турпоходов получилось самое то что надо.
Огромная просьба к читающим. Если встретите полезные статьи на аналогичные темы - сбросьте ссылку. Обязательно выложу ее на сайт. Кому-нибудь сгодится.
Лирическое вступление.
Пять лет назад я впервые попал в водный поход - и "попал". Сначала байдарка, затем весенний сплав, а следом - парусный катамаран. По образованию я инженер-авиационник. Люблю и умею решать инженерно-конструкторские задачи. Руки вроде бы на месте. Поэтому прежде чем раскошелиться на личный парусный катамаран, я решил поосмотреться и не очень торопиться. Нашлись добрые люди. Что-то объяснили, дали почитать Перегудова, порекомендовали готовые катамараны.
Покупку нового катамарана я сразу отмел. Дорого и неинтересно. Да и не отвечает всем требованиям (см. ниже). Покупать б/у можно, но очень не хотелось вылизывать чужие поломки. Осталось одно - сформулировать требования и начать изготовление своей конструкции. Почему своей? Да я точно знаю, что копирование мне не по душе. Значит, надо выбрать прототип - и вперед!
Требования к катамарану.
1. Обязательно парусный. Не для гонок, а для многодневных походов.
2. Возможность использовать как сплавной по весне. Ну прихоть, ну и что?
3. Нормальная эксплуатация на волне 1м. Безопасное движение на волне 1,5-2м в любом направлении. Это важно, т.к. живем на Волге, где ширина водохранилища перед ГЭС доходит до 24км. Не зря же его в Тольятти морем называют.
4. Грузоподъемность не менее 4 чел. Плюс груз для многодневного похода.
5. Разборность с максимальной длиной элемента 1,5м. Это ширина багажника моего авто.
6. Общий вес порядка 50 кг. Желательно в 2-х сумках.
7. Время сборки - до 2-х часов для 1-2 человек.
8. "Неубиваемые" гондолы. Мечта, но почти решаемая.
Поначалу было еще одно пожелание, отпавшее со временем. Это желание установить двигатель 2-3 л.с. Но после однократного прохождения Жигулевской кругосветки при активной замене "гребаных" дней моторными появилось мнение участников:"Худшей кругосветки еще не было". Поэтому требование трансформировалось в следующее:
9. Возможность установки вспомогательного двигателя.
Выбор прототипа.
С этим оказалось просто. У Перегудова в описании парусных катамаранов подробно рассмотрены Аргонавт и Азов. Аргонавт мелковат, а габариты Азова и его ТТХ примерно соответствовали моим пожеланиям. Подробных описаний современных катамаранов я не нашел. Только фотографии. Так что, обозвав мой вариант Азов-С (от Самара), я получил основу для творчества.
Таким образом, я от Азова взял размеры и раскрой гондол, количество балок, расположение подмачтовой балки, парусную компоновку (грот + стаксель), стрингера гондол без элементов крепления, размеры руля.
Выбор силовой схемы катамарана.
Творчество началось с первого знакомства с теорией построения каркасов для катамарана. Ее просто не оказалось! А то, что описано в литературе, больше похоже на любительские пожелания, отточенные многолетней практикой.
Из описаний я понял следующее:
- Для сплавного катамарана необходим эластичный каркас. Обычно используются продольные стрингера с поперечными балками. Вариантов соединений их множество, а мне больше всего понравилось соединение стрингеров и балок резиновыми полосами, вырезанными из автомобильных камер. Дешево и надежно. Резина в воде не развязывается. Даже после двухнедельного похода резиновые ленты развязываются только пассатижами (или ножом :-))).
- Для парусного катамарана необходим жесткий каркас. Для этого в дополнение к жесткому креплению стрингеров применяются горизонтальные растяжки, центральные продольные балки, стрингера сложной формы и т.п.
- Реальный парусный надувной катамаран всегда имеет полужесткий каркас вследствие люфтов и разбалтывания конструкции после сборки.
Для начала конструирования эти выводы меня вполне устроили, и я начал анализ силовой схемы прототипа.
Итак, в основу плоскости катамарана положены продольные стрингера на гондолах и центральная балка. К ним крепится пять поперечных балок. Мачта стоит на узле на 2-й балке. Растяжки мачты идут к носовой оконечности центральной балки и к боковым сторонам 3-й балки.
При натяжке передней растяжки мачты образуется классический силовой треугольник мачта-передняя часть продольной балки-растяжка, в плоскости которого есть поперечные деформации балки и мачты и минимальны скручивающие деформации. В таком режиме силовой треугольник работает стабильно и прочность мачты при нагрузках нос-корма максимальна.
А вот с боковыми оттяжками картина совершенно другая. Если бы растяжки крепились ко 2-й балке, боковые нагрузки воспринимались силовыми треугольниками мачта-2 балка-растяжка, и нагрузки распределялись бы правильно с максимальной прочностью конструкций. Правда, для компенсации нагрузок типа корма-нос потребовалась бы дополнительная задняя растяжка. Но поскольку задняя растяжка мешает большинству типов парусов, на катамаране "Азов" боковые растяжки мачты крепятся к 3-й балке. Это с точки зрения прочности всей конструкции - огромный минус. При боковых и задних нагрузках, которых подавляющее большинство, давление паруса через растяжку передается на 3-ю балку. Дальше растяжка начинает изгибать стрингера и выталкивать их из воды с наветренной стороны. Возникает деформация кручения балки на участке от 2 до 3-й балки. Вторая боковая растяжка при этом визуально натянута, но силовой нагрузки не несет. Думаю, что при этом должна резко падать курсовая устойчивость катамарана. Она будет напрямую зависеть от стабильности ветра. При порывистом ветре будут проблемы с управляемостью.
Таким образом, в конструкции применено решение, приводящее к перегрузке центральной балки на участке от 2-й до 3-й балки и нарушающее геометрическую форму гондолы катамарана. Для компенсации этих процессов предложено натягивать 2 троса, частично компенсирующих скручивающую нагрузку. Понятно, что это полумеры, но лучше что-то, чем ничего...
Поскольку в основу нахождения на воде я ставлю безопасность, такая мина замедленного действия мне не нужна. Вопрос решается довольно просто. Необходимо создать силовые треугольники мачта-доп.балка-растяжка. Для этого добавляем две угловые балки между 2-й и 3-й поперечными балками.
Таким образом, получена силовая схема повышенной прочности (по сравнению с прототипом) при минимальных затратах и доработках. Задняя балка входит в силовую схему как необходимый элемент для установки вспомогательного двигателя.
Основное отличие данной конструкции от прототипа состоит в том, что на эластичный каркас из поперечных балок №№1, 2, 4, 5 (согласно схеме типичного сплавного катамарана) накладывается и эластично прикрепляется жесткий парусный каркас, состоящий из продольной балки, 3-й поперечной балки, 2-х угловых балок, мачты и растяжек. Крепление парусного каркаса к годолам за одну балку сводит к минимуму влияние мачты на гондолы и наоборот.
Практика подтвердила правильность данной силовой схемы. Катамаран ведет себя очень устойчиво на волнах, имея меньшую, по сравнению с аналогом "Альбатрос", амплитуду раскачивания мачты. А угловые балки дают дополнительную поддержку кокпита при укладке тяжелых вещей. Пустяк, а приятно!
Выбор материалов для каркаса.
Это, наверное, была самая легкая задача. Из легкосплавных материалов по ценам доступны алюминиевые сплавы. Из них все выделяют Д16Т. У меня никаких возражений не возникло. Проблема была одна - найти трубы в продаже. За 1.5 года я познакомился со всеми продавцами на рынке, но только полгода назад я нашел-таки контору с большой номенклатурой на складе, и сейчас проблем по трубам у меня и моих соратников просто нет.
Следующий выбор - трубы для стрингеров. Первоначально я планировал пластиковые трубы ф32мм. Эти трубы были закуплены и установлены на катамаран в его сплавном варианте. Выяснилось, что сама труба относительно неплохо держит нагрузки, а вот соединительные муфты ломаются посредине. Каждый день сплава добавлял к ремонту 3-4 стыка. Для себя я сделал такой вывод: пластик можно использовать только для походов выходного дня. Во всех остальных случаях нужен дюраль. Для особо жестких условий сплава - сталь. Но поскольку мой предел желаний доходит только до второй категории сложности, я выбрал трубы Д16Т 32*1. Но после сборки гондол выяснилось, что такие трубы сложно вставлять в карманы гондолы (см.ниже). Пришлось уходить на меньший диаметр. Из более-менее подходящих я приобрел трубы Д16Т 24*2. Если бы была в тот момент возможность приобрести трубу 24*1.5 - взял бы ее. Легче, а прочности достаточно.
Трубы для балок и мачты. Из подходящих в продаже были только 50*1.5. Из них весь каркас и сделал. Мачта - из той же трубы высотой 5,5 м.
Крепление балок.
Для стыковки балок из труб 50*1,5 проточил переходники ф47*10 (ну такое сверло попалось :-) ) длиной 110мм. Большая толщина неожиданно оказалась плюсом. Несмотря на увеличение веса конструкции, жесткость и прочность соединения балок оказалась очень высокой, а в сочетании с узлом крепления продольной балки (фото ниже) я получил разборную балку длиной 2,9м с характеристиками лучше цельной балки.
Отверстия на трубе - для фиксации переходника к трубе винтами М5*10. В процессе отработки конструкции по мере готовности узлов я стачиваю головки винтов до толщины 0.5 - 1 мм. Получается неразборное соединение. Длину переходника менее 100 мм брать не рекомендую. появляются люфты. В следующих модернизациях предполагаю использовать переходники из трубы соответствующего диаметра с толщиной стенки 2-2,5 мм. При использовании заклепок в качестве продольного фиксатора переходника этого вполне достаточно.
Получив поперечные балки нужной прочности, начался процесс поиска решения крепления продольных и поперечных балок. Решение прототипа (сечение К-К) мне категорически не нравится.
Самым нагруженным в каркасе местом является пересечение балок. Сверление отверстия имено в этом месте удобно для сборки, зато губительно для прочности. И как бы это не подкреплялось пластинками, пружинками и т.п., прежней прочности все равно не будет!
Решение сформировалось постепенно. Раз в месте пересечения сверлить нельзя - надо разнести отверстия. минимально - на 70 мм, т.к. диаметр балок 50 мм и нужно место для гаечного ключа. Максимальный размер определяется длиной переходника балки минус края - итого 90 мм. Для сопряжения балок беру квадрат 100*100 из листа Д16Т толщиной 3 мм. Сверлю отверстия под болты крепления балок, облегчаю вес отпиливанием лишних краев и получаю отличный ромбик с диагоналями 100 мм и отверстиями вблизи вершин.
Креплю балки и получаю просто замечательный узел! Четырехлетняя эксплуатация показала удобство сборки узла и полное отсутствие проблем с ним. Узел работает, даже если потеряна гайка. Правда, для этого необходимы болты, выступающие на 10-15 мм за плоскость пластины.
Как видно из снимка, стыковка балок идет посредине. Это касается как поперечных балок, так и продольных. Продольную балку, состоящую из 3-х частей, пришлось резать таким образом, чтобы стыки попали на две из четырех пластин. Пятая (кормовая пластина) и вторая (подмачтовая) разработаны с особенностями. Но принцип един.
Таким образом, 1-я, 3-я и 4-я балки выполнены на пластинах "ромб".
Пятая (кормовая пластина) представляет из себя треугольник с креплением кормовой балки на 2 болта, а продольной балки - на один. Такая возможность упростить соединение появилась потому, что жесткость соединению кормовая балка-центральная балка придает рулевой узел, а пластине здесь отдается страховочная роль. При использовании катамарана в качестве сплавного пластина дублируется обвязкой - резиновым жгутом.
Вторая (подмачтовая) пластина самая сложная и ответственная. Она является силовым узлом с передачей усилий от мачты на силовые треугольники. Поэтому она в длину 250 мм, форма у нее пятиугольная, да еще и узел крепления мачты добавляется.
Центральная балка крепится к пластине тремя болтами, по 2 болта крепления у поперечной балки и косых балок. Для усиления прочности косых балок в них вставлены усиливающие кольца длиной 55 мм, и крепление балок к пластине идет через усиление. Вертикальный стакан для мачты крепится к пластине 4 винтами М5. Дополнительно предусмотрено осевое крепление стакана к пластине и балке, но я им не воспользовался. За 2 года хождения под парусом без осевого крепления стакана не возникло даже потребности подтянуть винты крепления стакана. Болт М10 в стакане и уголок - от последующих модернизаций узла (см. далее).
В сборе каркас выглядит так:
Крепление стрингеров.
Как уже было сказано выше, стрингера изготавливались из Д16Т 24*2. Учитывая длину гондолы 5,2м, стрингера изготовлены длиной 4,5м и состоят из 3-х частей с внутренними переходниками. Средняя часть прямая, передняя и задняя - гнутые по форме гондолы.
К гондоле стрингера крепятся карманами, сформированными из верхней оболочки гондолы. Фиксация стрингера внутри кармана не производится. После привязки стрингера к балкам и накачки гондолы до рабочего давления стрингер распирается гондолой и становится практически неподвижным.
Правда, при данной схеме выяснилась одна тонкость. Эластичное соединение балка-стрингер волнами за пару дней расшатывает соединительные переходники стрингера. При этом либо переходник смещается в сторону внутри стрингера (при этом стрингер распадается на части), либо часть стрингера (у меня обычно задняя из-за прорези для установки стрингеров) смещается вдоль гондолы и соединение разваливается. Это не смертельно, поскольку задняя часть стрингера крепится к двум балкам. Жесткости хватает, проблема чисто эмоциональная. Пугает возможность протереть оболочку гондолы.
Для предотвращения самопроизвольного смещения переходника внутри стрингера достаточно посредине переходника создать выступ. Это могут быть заклепка, винт и т.п. Я же со своей ленью уже 2 года обхожусь изолентой. При смещении части стрингера разрыв образуется не более 50 мм, так что длины переходника в 250мм с изолентой посредине вполне достаточно.
Рулевое устройство.
На начальном этапе проблемы не возникает. Размеры и форму руля взял у Перегудова, изготовил его из Д16Т 4мм. Взял трубу Д16Т 30*2,5, пропилил паз 4мм. Вставил перо руля в паз - получил вращающееся соединение. На фото ниже не обращайте внимание на деформации трубки и погнутое перо. Это следствие буксировки катером с движком 50 лошадей. К сезону паруса исправлю. Фото сделано на сплаве, поэтому винт крепления стоит какой был. Для паруса чем он короче - тем лучше. Меньше сопротивление движению.
А вот дальнейшее использования крепежа руля аналогично Альбатросу или Аргонавту мне изготавливать не захотелось. Очень уж ненадежным показалось мне это крепление. Да и на коленке изготовить его ой как непросто.
У Альбатроса рулевой узел вставляется в пластиковую направляющую длиной 150 мм. Пластик мне показался подозрительно хрупким материалом. И не зря. Летом мы умудрились немного разломать этот узел, да и прикупили остатки рамы тоже с таким же дефектом (трещины). На мой взгляд, это происходит из-за малой высоты узла. Износ быстро приводит к люфтам, а люфты - к усилению нагрузок на стенки стакана. Сразу начинаются трещины. Крепление у Аргонавта более крепкое, но нетехнологичное. Поэтому захотелось чего-то своего.
Из станков у меня был доступ только к токарному, поэтому проточить две втулки было несложно. Проблема осталась одна: как обеспечить их соосность и крепление к балкам? Решение пришло почти случайно. Я взял уголок 50*5 длиной 400мм, закрепил к нему винтами втулки
и получил прочную соосную конструкцию, которая легко крепится к взаимно перпендикулярным балкам. Большие отверстия на втулках для прохождения головок винтов и отвертки и для зенковки отвестия под винт по внутреннему диаметру. Снаружи винты просто спилил под уголок.
На всякий случай я дополнительно зафиксировал уголок в двух плоскостях трубками, из которых после пары лет обкатки осталась только поперечная.
На этом я и попался. Пока была идеальная погода с нежными ветрами, стойка руля стояла вертикально. Но стоило попасть в порывы ветра в конце августа 2010г., как отсутствие поперечной стойки в сочетании с усиленным давлением на руль начало проворачивать рулевую стойку относительно поперечной балки. Так что крепить теперь буду в двух плоскостях при любой погоде.
Высоту руля по вертикали ограничил винтом М6. Вертикальная трубка крепления руля под собственным весом опускается до ограничителя, который ложится плоскостью на втулку. Позже шутники предложили мне поставить туда колесики. Идея мне понравилась, и сейчас ограничитель по верхней втулке ездит на колесиках. Спасибо им. И еще один важный момент. Свободный ход вертикальной трубки составляет примерно 150 мм. Он определяется высотой рамы над водой. Этот свободный ход выручал не раз, когда забывали поднять руль на отмелях. Более 150 мм я его ограничил, т.к.трубка на руле начинает попадать в воду и тормозить движение. Для слабых ветров просверлены отверстия под колесики на 120 мм ниже, чем на фото. Это позволяет опустить перо руля на 3/4 и тем самым меньше тормозить.
Для облегчения управления рулем я применил уголок из трубы со сторонами 300мм. Он одной стороной вставляется в вертикальную трубку руля и фиксируется вертикальным упором (который с колесиками).
Во время эксплуатации выявились следующие слабые места, потребовавшие доработки:
- В вертикальную трубку крепления руля в область паза пришлось вставить усилитель из трубы 25*2 (чем толще - тем лучше). Это значительно укрепило стенки в районе разреза. Первый вариант без усиления сломали, причем надломили крепеж у берега, а руль утопили через полчаса посреди Волги на ходу. От вибраций при движении доломался. После этого я креплю руль к раме дополнительным фалом. Чтоб не утоп...
- В уголок из трубы пришлось забить деревянный чоп длиной 150 мм. Сразу же снизилось разбитие отверстия, через которое пропускается ограничительный болт с колесиками.
- Из конструкции был убран резиновый жгут, принудительно устанавливающий руль в вертикальное положение. При правильной регулировке нижнего фиксирующего винта руль опускается автоматически под собственным весом. И при наезде на мель быстрее отрабатывает подъем.
- Длины уголка поворота руля в 300 мм недостаточно. Уже при средних нагрузках на руль требуется большое усилие для управления рулем. Поэтому горизонтальную часть уголка я увеличиваю до 450мм.
Следующим узлом, наиболее сильно изменившимся, стала мачта.
Модернизация мачты.
Разрабатывая силовую схему катамарана, я закладывал 2 паруса: грот и стаксель. Грот мне дали от виндсерфа площадью 4,2 кв.м с правильным мачтовым карманом, а стакселя поначалу не было совсем. Поэтому не мудрствуя я взял высоту мачты "Азова" у Перегудова. Для мачты я взял все те же трубы Д16Т 50*1,5 и при помощи переходников, аналогичных соединяющим балки каркаса, собрал мачту высотой 5,5 м. Растянул мачту тремя тросами и начал тихо радоваться. Но радость продлилась недолго. При первом же испытании на воде выявились следующие недостатки:
- Мачта оказалась короткой. Задняя нижняя шкаторина грота старалась зацепиться за голову сидящим, а натяжка гика конфликтовала с вещами около мачты. В общем, дискомфорт.
- Для растяжки я взял тросы ф2мм. По нагрузке они проходили, вот только начали растягиваться. Опять неприятности. С наветренной стороны трос натянут, а с подветренной - ослаблен с провисом более 100мм.
Обе проблемы в лоб решались легко. Удлинил мачту добавлением колена, заменил троса-растяжки на ф4. Теоретически все получилось. Вот только появились опасения о малом диаметре мачты. Силовой треугольник мачту реально укрепил, но на средних ветрах появился сильный прогиб мачты. Временами для ослабления нагрузки приходилось менять курс. Сезон я на такой мачте доходил успешно, но в целом проблема осталась. Можно было бы увеличить диаметр мачты до 75 мм, как советует Перегудов. Но мне это делать не захотелось.
И однажды в пылу теоретических баталий с Вадимом Юрьевичем была затронута тема Л-образной мачты. Идея своеобразная и с очень большим потенциалом. Но я ее не воспринял... Однако через три месяца идея все-таки прижилась. Я прикинул компановку катамарана, крепление парусов, проработал кокпит и понял, что другой мачты уже и не хочу.
Вот что у меня получилось:
Обе трубы мачты сделаны из все того же Д16Т 50*1,5. Вот только работать по силовой схеме им приходится не на прогиб, а на сжатие. Прочность мачты выросла раз в 5 по меньшей мере. Больше я не дергаюсь по поводу "сломается-не сломается". Наверху мачты имеется узел из уголка 45*5 длиной 300мм, т.е. верхушки труб раздвинуты на 200 мм. Это позволило легко закрепить все тросы и растяжки.
На снимке видны три растяжки: две боковые внизу и стаксельная наверху. Вниз посредине отходит трос грота. Все тросы ф4 мм. Это позволило избавиться от растяжки троса в течение дня и при усилении нагрузок. Два ролика на уголке - для фалов подъема грота и стакселя. Трубы мачты заканчиваются заглушками с осевой резьбой М10. В них вворачиваются через уголок болты М10. На всякий случай уголок к трубе крепится болтом М6 в горизонтальном уровне.
Вторая проблема - опора мачты на подмачтовую балку и ее крепеж. Решилась она довольно просто.
К низу мачты прикрепил уголок длиной 200мм. Прикрепил его на 3 болта М6. В уголке сделал вырез под мачту, и сейчас мачта опирается на балку толстым уголком. Опять-таки на всякий случай креплю уголок к подмачтовой балке болтом М6. Хотя один раз, забыв болты, прошел кругосветку (180км без учета галсов) на резинках.
Одной из причин выбора Л-образной мачты стало легкое крепление кокпита к мачте с помощью поперечной балки, прикрепленной к мачте на высоте 0,5 м над кокпитом.
Для балки выбран п-образный профиль с расстоянием между стенками, равным диаметру мачты. В нем вырезал полукруглое отверстие и болтом м6 креплю его к мачте . Если придираться, то мачта получилась не Л-образная, а А-образная. Зато сейчас я могу и встать на перекладину, и не опасаюсь, когда матросы вцепляются в мачту на волнах. Жесткость нижней части выросла в 2-3 раза. Скоба посредине балки для фала стакселя. Так как он рейковый, управление идет от середины.
Винты с гайками, видные на снимках, относятся к кокпиту. О них далее.
Л-образная конструкция мачты проходила у меня два сезона. По большому счету, недостаток у этой мачты только один. При возможном опрокидываниии возвращать мачту в исходное состояние непросто. Как и отстегивать ее в сложных условиях.Но с этим пока приходится мириться, да и хожу я чаще всего с перегрузом. На порывистых ветрах не рискую, иду под стакселем. В этом сезоне добавлю еще парочку страхующих элементов. Надеюсь, обойдемся без опрокидывания.
А вот достоинств у мачты много:
- По поводу усиления прочности я уже писал.
- Топовый узел прост и удобен.
- Грот поднимается вдоль троса, что реально повышает КПД паруса.
- Фалы подъема парусов больше не возвращаются вертикально. Они идут вдоль труб мачты и не создают дополнительных завихрений. Тоже плюс к КПД.
- Горизонтальная планка из П-образного профиля 55*35 мм на высоте 0,5 м от кокпита позволяет закрепить фалы где угодно.
- Между мачтами легко крепится много полезных вещей. Например, автомобильная сетка багажника для мелких вещей или просто сушится рыба, пойманная вечером.
- Горизонтальная планка и трубы мачты определяют высоту и углы наклона кокпита, который появится в следующем сезоне.
- Переход вдоль катамарана на ходу перестал быть акробатическим переползанием по вещам. Теперь команда меняется местами, выпрямляясь вертикально и держась за мачту.
- Появилось еще множество мелочей, облегчающих жизнь в походе. Часть из них еще будет описана в следующих разделах.
Л-образная конструкция мачты позволяет катамарану Азов-С при одинаковом с Альбатросом парусном вооружении и большей грузоподъемности идти не только не отставая, а при попутных и боковых ветрах еще и опережая Альбатросы. Пока непонятна ситуация при лавировке, поскольку я еще не изготовил швертов для Азова и использую что придется. Будущее покажет.
Статья постоянно пишется, катамаран модернизируется... Заходите чаще... Спрашивайте.
Если у Вас есть чем поделиться с другими - пишите. Обязательно выложим на сайт.
Благодарю всех, помогающих мне советами и рекомендациями.
Дождиков Андрей. Самара.
samarkatСОБАКАmail.ru
