AKADEMIA MARYNARKI WOJENNEJ im. Bohaterów Westerplatte ISSN X KWARTALNIK

Transkrypt

1 AKADEMIA MARYNARKI WOJENNEJ im. Bohaterów Westerplatte ISSN X KWARTALNIK ROK LIII Nr 2 (189) GDYNIA 2012

2 RADA NAUKOWA prof. Leif Bjørnø (Dania); dr hab. inż. Krzysztof Czaplewski, prof. AMW; prof. dr hab. inż. Stanisław Dobrociński; prof. dr hab. inż. Antoni Drapella; prof. dr kpt. ż.w. Daniel Duda; kontradm. dr inż. Czesław Dyrcz; prof. dr hab. inż. Andrzej Felski; prof. dr hab. inż. Krzysztof Ficoń; dr hab. inż. Jerzy Garus, prof. AMW; prof. dr hab. inż. Franciszek Grabski; dr hab. inż. Grażyna Grelowska, prof. AMW; dr hab. inż. Andrzej Grządziela, prof. AMW; dr hab. inż. Wojciech Jędruch, prof. AMW; prof. dr hab. inż. Zygmunt Kitowski; dr hab. inż. Ryszard Kłos, prof. AMW; prof. dr hab. inż. Eugeniusz Kozaczka; prof. dr Gvidonas Labeckas (Litwa); dr hab. inż. Artur Makar, prof. AMW; prof. dr hab. inż. Witold Malina; prof. dr hab. inż. Leszek Piaseczny; dr hab. inż. Cezary Specht, prof. AMW; prof. dr hab. inż. Zbigniew Wiśniewski; dr hab. inż. Bogdan Żak, prof. AMW KOMITET REDAKCYJNY Redaktor naczelny kontradm. dr inż. Czesław Dyrcz Redaktorzy tematyczni: prof. dr hab. inż. Stanisław Dobrociński (mechanika techniczna) prof. dr hab. inż. Antoni Drapella (informatyka) prof. dr hab. inż. Andrzej Felski (nawigacja) dr hab. inż. Jerzy Garus, prof. AMW (automatyka i robotyka, mechatronika) prof. dr hab. Franciszek Grabski (matematyka) dr hab. inż. Grażyna Grelowska, prof. AMW (hydroakustyka) dr hab. inż. Andrzej Grządziela, prof. AMW (budowa i eksploatacja maszyn) dr hab. inż. Artur Makar, prof. AMW (hydrografia) Redaktor statystyczny dr inż. Agata Załęska-Fornal Redaktor językowy/sekretarz mgr Beata Różańska Członek KR z głosem doradczym dr Lesław Mroziński Wszystkie artykuł y zostały zrecenzowane Zeszyty Naukowe AMW są indeksowane w,,bazie danych o zawartości polskich czasopism technicznych BazTech: Artykuły Zeszytów Naukowych AMW są dostępne w wersji elektronicznej na stronie: (zakładka: Nauka Zeszyty Naukowe AMW) Redakcja Zeszytów Naukowych Akademii Marynarki Wojennej Gdynia, ul. J. Śmidowicza 69 tel b.rozanska@amw.gdynia.pl Druk i oprawa Wydawnictwo Akademickie AMW

3 SPIS TREŚ CI Andrzej Adamkiewicz, Arkadiusz Burnos Kluczowe wskaźniki efektywności w utrzymaniu silników spalinowych w układach energetycznych jednostek pływających... 5 Adam Cichocki Analiza możliwości użycia lekkich torped ZOP na poligonach morskich MW RP Leszek Flis, Marek Sperski Ocena wpływu kształtu wierzchołka pocisku na proces przebijania pancerzy stalowych Grzegorz Garbacz, Lesław Kyzioł Stanowisko do badania wytrzymałości zmęczeniowej materiałów konstrukcyjnych w warunkach działania cieczy korodującej dla złożonego stanu naprężeń Antoni Iskra, Jarosław Kałużny, Maciej Babiak, Konrad Marszałkowski Innowacyjna konstrukcja utleniającego reaktora katalitycznego uwzględniająca udział węglowodorów w spalinach Wojciech Jurczak, Krzysztof Dudzik Odporność korozyjno-naprężeniowa i zmęczeniowo-korozyjna okrętowych stopów aluminium i ich spawalność Mirosław Karczewski, Leszek Szczęch Metodyka wyznaczania trójskładnikowej mieszaniny optymalnej do zasilania silnika z układem Common Rail Waldemar Mironiuk Computer visualisation of flooding damaged compartments in vessel type

4 Spis treści Bogdan Pojawa, Kamil Borsuk Wyznaczenie charakterystyki współpracy okrętowego turbinowego silnika spalinowego z odbiornikiem energii z wykorzystaniem techniki planowania eksperymentu Grzegorz Rutkowski Wykorzystanie przestrzennego modelu domeny do oceny bezpieczeństwa nawigacyjnego kontenerowców oceanicznych klasy PS, takich jak Emma Maersk, podczas manewrów podchodzenia do terminalu DTC Gdańsk Port Północny

5 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK LIII NR 2 (189) 2012 Andrzej Adamkiewicz Arkadiusz Burnos Akademia Morska w Szczecinie KLUCZOWE WSKAŹ NIKI EFEKTYWNOŚ CI W UTRZYMANIU SILNIKÓW SPALINOWYCH W UKŁ ADACH ENERGETYCZNYCH JEDNOSTEK PŁ YWAJĄ CYCH STRESZCZENIE Kluczowe wskaźniki efektywności (Key Performance Indicators KPI) to jedno z podstawowych narzędzi sterowania eksploatacją obiektów technicznych. Ich właściwe wdrożenie i stosowanie pozwala na doskonalenie oraz kontrolę zarówno procesów utrzymywania, jak i użytkowania układów energetycznych. W artykule przedstawiono aspekty wykorzystania kluczowych wskaźników efektywności utrzymania w procesach sterowania eksploatacją układów energetycznych na jednostkach pływających. Wskazano istotne mierzalne wartości techniczne, organizacyjne i ekonomiczne systemów eksploatacji, które mogą determinować decyzje związane z utrzymywaniem obiektów technicznych w stanie zdatności według zamierzonych kryteriów. Dokonano przeglądu metod doboru wskaźników i podjęto próbę interpretacji ich przykładowych wartości. Odniesiono się do wykorzystania wskaźników w komputerowych systemach zarządzania utrzymaniem ruchu (Computerized Maintenance Management System CMMS) i wykorzystania tych systemów w procesach sterowania utrzymaniem układów energetycznych. Słowa kluczowe: wskaźniki efektywności, KPI, układ energetyczny, jednostka pływająca, turbinowy silnik spalinowy. WSTĘP Eksploatacja układów energetycznych jednostek pływających jest współcześnie procesem coraz dokładniej dozorowanym. Pozwalają na to systemy nadzoru, pomiarowe, rejestracji i archiwizowania danych, szybsze i zminiaturyzowane komputery oraz uniwersalne i otwarte oprogramowanie. Zgromadzone dane stają się cennym 5

6 Andrzej Adamkiewicz, Arkadiusz Burnos zasobem informacji, a ich identyfikacja i analiza pozwala na racjonalizację sterowania procesem eksploatacji [2]. Na podstawie wykonywanych pomiarów właściwości eksploatacyjnych maszyn i urządzeń zainstalowanych na jednostkach pływających wyznacza się istotne grupy informacji. Ich przedstawienia dokonuje się z użyciem kluczowych wskaźników efektywności (Key Performance Indicators KPI), które są jednym z podstawowych narzędzi sterowania eksploatacją obiektów technicznych [7]. Efektywność może być rozumiana w różny sposób, w zależności od dziedziny i warunków, w których jest szacowana. W systemach eksploatacji jest to właściwość spełniania wymagań w kontekstach: niezawodnościowym, ekonomicznym, jakościowym, wydajnościowym i ekologicznym [5]. Istotą oceny efektywności jest określenie prawdopodobieństwa zachowania przez system nominalnych osiągów w trakcie użytkowania [6]. Efektywność określa się zatem w kategoriach rezultatów osiągniętych lub oczekiwanych [8]. Utrzymanie układów energetycznych na jednostkach pływających odnosi się do wielokierunkowej działalności mającej na celu zachowanie zdatności funkcjonalnej maszyn, urządzeń i instalacji. Utrzymanie jest pojęciem coraz częściej spotykanym w literaturze technicznej związanej z teorią i praktyką eksploatacji [1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Niekiedy są stosowane również takie pojęcia, jak utrzymanie ruchu lub utrzymanie w ruchu. Wszystkie te zagadnienia odnoszą się przede wszystkim do zachowania obiektów technicznych w stanie zdatności i gotowości do użytkowania na oczekiwanym poziomie i w odpowiednim czasie. Na utrzymanie obiektów składają się czynności zarówno bezpośrednio związane z obiektem technicznym, jak i wspierające, zazwyczaj związane z przedmiotem eksploatacji pośrednio poprzez dział zarządzania, informacji, logistyki itp. Na utrzymanie składają się następujące działania [1, 3, 8]: obsługa techniczna (naprawy, remonty, regulacje itp.); obsługa logistyczna, tj. logistyka części zamiennych i środków eksploatacyjnych; akwizycja informacji o utrzymywanych obiektach; zarządzanie wiedzą i personelem technicznym; tworzenie i wdrażanie okresowych procedur obsługowych; diagnostyka na potrzeby obsługiwania. CEL STOSOWANIA KLUCZOWYCH WSKAŹNIKÓW EFEKTYWNOŚCI Efektywność utrzymywania układów energetycznych jednostek pływających jest istotnym zagadnieniem z punku widzenia racjonalizacji działalności człowieka 6 Zeszyty Naukowe AMW

7 Kluczowe wskaźniki efektywności w utrzymaniu silników spalinowych z wykorzystaniem morskich środków transportu, okrętów o charakterze militarnym oraz wszystkich innych jednostek pływających, zwłaszcza wydobywczych i produkcyjnych platform pełnomorskich oraz jednostek FPSO (Floating Production, Storage and Offloading). Celem stosowania kluczowych wskaźników efektywności utrzymania jest: przedstawienie bieżących i historycznych wartości miar właściwości eksploatacyjnych oraz relacji między nimi; umożliwienie porównania otrzymanych wartości z wartościami projektowymi oraz z wartościami uzyskanymi w wyniku obserwacji innych systemów eksploatacji; diagnostyka realizowanych działań utrzymania; realizacja procesu ciągłego doskonalenia poprzez wyszukiwanie i eliminację znacznych odchyleń od założonych wartości projektowych; śledzenie zmian i postępu w systemie eksploatacji; motywowanie oraz rozliczanie personelu technicznego i zarządzającego z uzyskanych efektów. KLASYFIKACJA WSKAŹNIKÓW EFEKTYWNOŚCI UTRZYMANIA Efektywność utrzymania układów energetycznych jednostek pływających najczęściej odnosi się do: jakości realizowanych procesów utrzymania; jakości pracy maszyn, urządzeń i instalacji; organizacji i wydajności pracy kadr technicznych; kosztów i opłacalności realizowanych działań utrzymania. Kluczowe wskaźniki efektywności utrzymania zostały ustrukturyzowane w trzy kategorie [8]: wskaźniki ekonomiczne; wskaźniki techniczne; wskaźniki organizacyjne. W każdej z tych grup wydzielono wskaźniki na poziomie ogólnym, pośrednim i szczegółowym [8, 10]. Korzystając z oznaczeń zastosowanych w [8, 9, 10], podział predefiniowanych w tych materiałach wskaźników przedstawiono w tabeli 1. 2 (189)

8 Andrzej Adamkiewicz, Arkadiusz Burnos Tabela 1. Strukturyzacja wskaźników efektywności utrzymania maszyn [8, 9, 10] Wskaźniki ekonomiczne Wskaźniki techniczne Wskaźniki organizacyjne E1, E2, E3, E4, E5, T1, T2, T3, T4 Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, E6 Q6, Q7, Q8 Poziom 1. ogólny/armatorski (np. zbiór jednostek pływających) Poziom 2. pośredni (np. układ energetyczny jednostki pływającej) Poziom 3. szczegółowy (np. turbinowy silnik spalinowy) E7, E8, E9, E10, E11, E12, E13, E14 E15, E16, E17, E18, E19, E20, E21, E22, E23, E24 T5, T6, T7, T8, T9, T10, T11, T12, T13, T14, T15, T16 T17, T18, T19, T20, T21 O9, O10 O11, O12, O13, O14, O15, O16, O17, O18, O19, O20, 021, O22, O23, O24, O25, O26 Źródło: S. Niziński, Utrzymanie pojazdów i maszyn, Biblioteka Problemów Eksploatacji, red. S. Niziński, R. Michalski, Olsztyn 2007; PN-EN 15341; PN-EN W aktualnych normach [10] umieszczono wskaźniki uznane przez Komitet Techniczny CEN/TC 319 Maintenance za najistotniejsze. Nie oznacza to jednak, że na firmy i instytucje zajmujące się eksploatacją jednostek pływających nakładane są jakiekolwiek ograniczenia. KPI są tworzone i dobierane na podstawie indywidualnego zapotrzebowania informacyjnego w każdym systemie eksploatacji. Poniżej przedstawiono wybrane predefiniowane w [10] oraz [8] wskaźniki efektywności utrzymania. Spośród wskaźników technicznych jednym z najczęściej wykorzystywanych KPI jest dostępność A określonej maszyny lub całego układu energetycznego. Wartość ta jest tożsama ze stosowaną w Polsce gotowością K. Rozróżniana jest dostępność techniczna A t oraz dostępność operacyjna A o. [T1] A t = T OT / ( T OT +T DT.M ); (1) [T2] A o = T UT.t / t; (2) gdzie: T OT całkowity czas pracy; T DT.M sumaryczny czas spoczynku spowodowany działaniami utrzymania; T UT.t czas zdatności w czasie t. Wskaźniki T1 oraz T2 pozwalają na opisanie niezawodności poszczególnych obiektów lub całego układu energetycznego. Innym wskaźnikiem technicznym używanym do opisania niezawodności jest średni czas pomiędzy uszkodzeniami MTBF (Mean Time Between Failures). 8 Zeszyty Naukowe AMW

9 Kluczowe wskaźniki efektywności w utrzymaniu silników spalinowych gdzie: F liczba awarii. [T17] MTBF = T OT / F, (3) KPI, za pomocą którego opisuje się nie tylko efektywność prac utrzymania, ale również podatność obiektów na odnowę/naprawę, jest średni czas naprawy MTTR (Mean Time To Repair). [T21] MTTR = T DT.M / F. (4) Jednym z najczęściej stosowanych na jednostkach pływających wskaźników organizacyjnych jest stosunek zaplanowanych zadań do wszystkich dostępnych osobogodzin. [O5] O W = WO / WF, (5) gdzie: WO suma osobogodzin działań UR zaplanowana; WF suma osobogodzin działań UR dostępna. Z punku widzenia ekonomicznego stosowany jest często wskaźnik opłacalności, mówiący o kosztach utrzymania w aspekcie ewentualnej wymiany obiektu lub układu na nowy. [E1] E 1 = C M / C Re, (6) gdzie: C M całkowity koszt utrzymania; całkowity koszt wymiany. C Re Stosowany też bywa wskaźnik kosztów utrzymania w relacji do parametru pracy lub wydajności (np. tona wyprodukowanego produktu naftowego w przypadku jednostek FPSO). [E5] C P = C M / P, (7) gdzie: P wydajność produkcyjna. Mierzona jest również efektywność gospodarki magazynowej. Przykładem wskaźnika w tym obszarze może być stosunek wartości całkowitych kosztów środków eksploatacji/części zamiennych wykorzystywanych w działaniach utrzymania i wartości zapasów w danym przedziale czasu t. 2 (189)

10 Andrzej Adamkiewicz, Arkadiusz Burnos [E12] E WT = C Materials.t / V Materials.t, (8) gdzie: C Materials.t całkowity koszt materiałów stosowanych w utrzymaniu ruchu w czasie t; V Materials.t średnia wartość zmagazynowanych materiałów stosowanych w utrzymaniu ruchu w czasie t. METODY DOBORU WSKAŹNIKÓW EFEKTYWNOŚCI UTRZYMANIA Dobór kluczowych wskaźników efektywności utrzymania jest najczęściej realizowany z wykorzystaniem metody eksperckiej. Polega ona na selekcji wskaźników przez grupę specjalistów z zakresu eksploatacji. Metoda ta wywodzi się z praktyk zarządzania projektami i jest ona możliwa do wykorzystania, jeżeli spełnione są następujące warunki: dostępni są pracownicy, którzy znając funkcjonalność poszczególnych KPI, mogą zdecydować w plenarnej dyskusji, jakie wskaźniki w konkretnej części systemu eksploatacji będą mogły znaleźć zastosowanie; wśród pracowników pracujących nad doborem znajdują się osoby z różnych szczebli organizacyjnych (pracownicy techniczni, kierownicy niższego szczebla, kierownicy wyższego szczebla); równolegle wykorzystywane są wskaźniki efektywności w innych obszarach przedsiębiorstwa, a definicje poszczególnych składowych tych wskaźników są ujednolicone i znane grupie eksperckiej pracującej nad doborem wskaźników dla systemu eksploatacji układów energetycznych. Metoda ekspercka znajduje szerokie zastosowanie w sterowaniu eksploatacją jednostek pływających. Taki dobór wskaźników efektywności jest jednak mocno uzależniony od doświadczenia i wiedzy członków zespołu specjalistów. Z tego względu na potrzeby ustanawiania nowych standardów dotyczących KPI w poszczególnych przedsiębiorstwach zatrudniani są często zewnętrzni konsultanci, których zadaniem jest wprowadzenie do prac zespołu wiedzy o tzw. najlepszej praktyce stosowanej w podobnych systemach eksploatacji. Tam gdzie wykorzystywane są CMMS (Computerized Maintenance Management System), można skorzystać z predefiniowanych wskaźników. Do najbardziej rozbudowanych i znanych systemów tego typu należą: IBM Maximo, SAP PM, Infor EAM oraz dedykowane moduły dla Microsoft Dynamics. Na rysunku 1. przedstawiono panel tworzenia i ilustracji kluczowych wskaźników efektywności w programie IBM Maximo wersja Zeszyty Naukowe AMW

11 Kluczowe wskaźniki efektywności w utrzymaniu silników spalinowych Rys. 1. Panel tworzenia i ilustracji kluczowych wskaźników efektywności w programie IBM Maximo wersja 7 Źródło: W nowoczesnych systemach CMMS znajduje się wiele opcji wyboru i modyfikacji najczęściej stosowanych wskaźników. Aktualizowane dane pozwalają na zastosowanie metod analitycznych i wyznaczenie obszarów o niższej niż oczekiwana efektywności, a co za tym idzie skierowanie tam działań doskonalących utrzymanie. Jeżeli na potrzeby systemu eksploatacyjnego jest tworzony nowy wskaźnik efektywności, powinno się uwzględnić następujące zasady [11]: celowości: nie wskaźnik jest przedmiotem analizy, lecz określony obszar systemu eksploatacji, który opisywany jest za pomocą wskaźnika; 2 (189)

12 Andrzej Adamkiewicz, Arkadiusz Burnos odpowiedniości: za pomocą wskaźników należy wiązać ze sobą tylko takie wielkości, które pozostają ze sobą w logicznym związku i pozwalają na dokonanie sensownej interpretacji; współmierności: zapewnienie takiego sposobu wyrażania wielkości, który odpowiada faktycznym relacjom zachodzącym między nimi. INTERPRETACJA KLUCZOWYCH WSKAŹNIKÓW EFEKTYWNOŚCI I ICH WPŁYW NA DECYZJE EKSPLOATACYJNE Właściwie dobrane i przedstawione KPI mogą nieść ze sobą dużą wartość informacyjną. Dzięki właściwej interpretacji można podejmować racjonalne decyzje eksploatacyjne związane między innymi z planowaniem remontów, zmianami organizacyjnymi, planowaniem częstotliwości zakupów i dostaw części zamiennych itp. Na rysunku 2. przedstawiono wartości średniego czasu między uszkodzeniami krytycznymi MTBF C dla populacji 30 turbinowych siników spalinowych uzyskane drogą symulacji losowej z rozkładu normalnego przy średniej wartości x śr = 605,9 oraz odchyleniu standardowym S = 200. Wartości początkowe zostały zaczerpnięte i zmodyfikowane na potrzeby symulacji z poradnika niezawodnościowego OREDA-97 [4]. Na rysunku zaznaczono również medianę M oraz wartości: mediana +20% M +20% i mediana 20% M -20%. Przyjęto, że wartość M -20% jest dla tej populacji silników minimalną wartością oczekiwaną. Wyznaczono w ten sposób przedział, który dla badanej grupy populacji uznaje się za zakres wartości normalnych. Na podstawie analizy wyników symulacji uzyskano zbiór silników turbinowych znajdujących się poniżej i powyżej wartości projektowych. Interpretacją tak przedstawionych danych może być stwierdzenie, że efektywność utrzymania (w ujęciu niezawodnościowym) turbinowych silników spalinowych o numerach 1, 2, 5, 10, 23, 24, 26 jest niezadowalająca (poniżej wartości oczekiwanych). Analiza tylko wskaźnika MTBF nie jest jednak wystarczająca w zakresie podejmowania istotnych decyzji organizacyjnych czy eksploatacyjnych. Na rysunku 3. zestawiono otrzymane wartości MTBF C wraz z otrzymanymi drogą podobnej symulacji wartościami średniego czasu naprawy uszkodzeń krytycznych MTTR C oraz całkowitymi rocznymi kosztami utrzymania w odniesieniu do jednostki produkowanej mocy C P. Wyjściowe wartości dla symulacji MTTR zaczerpnięto, podobnie jak dla MTBF, z poradnika OREDA-97, natomiast wartości ekonomiczne z danych udostępnionych przez Northeast CHM Application Center Uniwersytetu Massachusetts (USA). 12 Zeszyty Naukowe AMW

13 Kluczowe wskaźniki efektywności w utrzymaniu silników spalinowych Rys. 2. Wartości wskaźnika MTBF C dla populacji 30 turbinowych silników spalinowych Źródło: Det Norske Veritas, Ofshore Reliability Data Handbook 3 rd Edition, OREDA Particiants, Hovik Przedstawione na rysunku 3. wartości wskaźników pozwoliły na dokonanie wstępnej oceny efektywności utrzymania. W tym przypadku szczególną uwagę zwrócono na silniki o numerach 2, 5, 10 oraz 24, których średni czas między uszkodzeniami krytycznymi wynosi mniej niż minimalna wartość oczekiwana M -20% i jednocześnie średni czas naprawy uszkodzenia krytycznego oraz całkowity roczny koszt utrzymania są stosunkowo wysokie. Silniki te są utrzymywane w sposób znacznie mniej efektywny niż pozostałe z badanej populacji. W celu poprawy ich efektywności należałoby podjąć określone działania organizacyjne i eksploatacyjne. Przykładowymi działaniami tego typu mogłyby się stać: przegląd i modernizacja procedur obsługowych; szkolenie załogi obsługującej turbiny; wprowadzenie dodatkowych procedur z zakresu zarządzania częściami zamiennymi; zaplanowanie remontu głównego w systemach energetycznych, gdzie te turbiny są zainstalowane; wprowadzenie nadzwyczajnych procedur kontrolnych (inspekcje, diagnostyka na potrzeby utrzymywania). 2 (189)

14 Andrzej Adamkiewicz, Arkadiusz Burnos Rys. 3. Wartości wskaźników MTBF C, MTTR C oraz C P dla populacji 30 turbinowych silników spalinowych Źródło: Det Norske Veritas, Ofshore Reliability Data Handbook, wyd. cyt. Wybór podejmowanych czynności doskonalenia utrzymania układów energetycznych zależy od elementów składowych tego układu oraz od możliwości inwestycyjnych przedsiębiorstwa lub instytucji odpowiadającej za eksploatację. Racjonalizacja działań utrzymania prowadzona jest zazwyczaj w oparciu o kryterium wiodące, którym może być przykładowo niezawodność lub całkowity koszt utrzymania. Szczególnie istotne jest ustalenie wartości pożądanych oraz alarmowych poszczególnych wskaźników dla całego układu oraz dla poszczególnych jego elementów. Większość z oferowanych na rynku systemów CMMS umożliwia automatyzację nadzoru wartości KPI. Powiadamianie o przekroczeniu wartości alarmowych może się odbywać drogą komunikatu w systemie, ale również drogą poczty elektronicznej do wyznaczonej osoby odpowiadającej za określoną część układu energetycznego. Automatyzacja procesu powiadamiania wiąże się zazwyczaj z włączeniem do grupy odbiorców wiadomości alarmowych biura armatorskiego jednostki pływającej. PODSUMOWANIE Sformułowane w artykule kluczowe wskaźniki efektywności utrzymania silników spalinowych są stosownym zbiorem wielkości wiarygodnie wartościujących ocenę i prawidłowość podejmowanych decyzji eksploatacyjnych w utrzymaniu 14 Zeszyty Naukowe AMW

15 Kluczowe wskaźniki efektywności w utrzymaniu silników spalinowych silników spalinowych. Teza ta dotyczy silników w układach energetycznych statków zarówno w skali technicznej, jak i pozyskiwania informacji do budowy modeli predykcyjnych, dla potrzeb między innymi logistyki armatora. Źródłami informacji przedstawianych za pomocą kluczowych wskaźników efektywności mogą być dane historyczne dotyczące częstotliwości i charakteru zdarzeń eksploatacyjnych, a także dane pozyskane drogą badań symulacyjnych adekwatnych do rozpatrywanego procesu utrzymania obiektów technicznych. BIBLIOGRAFIA [1] Adamkiewicz A., Burnos A., Influence of maintenance strategies on the reliability of gas turbines in power systems of floating production, storage and offloading units (FPSO), 28 th International Scientific Conference DIAGO 2009, Technical diagnostics of machines and Manufacturing equipment, Technická Univerzita Ostrava, Asociace Technických Diagnostiků, Ostrava, Rožnov pod Radhoštěm, January [2] Adamkiewicz A., Burnos A., Modele sygnałów diagnostycznych stosowane w utrzymaniu turbinowych silników spalinowych na jednostkach typu FPSO, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie, 2009, nr 19, s [3] Adamkiewicz A., Burnos A., Utrzymanie turbinowych silników spalinowych na jednostkach typu FPSO, Zeszyty Naukowe AMW, 2009, nr 178A, s [4] Det Norske Veritas, Ofshore Reliability Data Handbook 3 rd Edition, OREDA Particiants, Hovik [5] Lewitowicz J., Kustroń K., Podstawy eksploatacji statków powietrznych własności i właściwości eksploatacyjne statku powietrznego, Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Warszawa [6] Lewitowicz J., Podstawy eksploatacji statków powietrznych systemy eksploatacji statków powietrznych, Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Warszawa [7] Mobley K. R., Higgins L. R., Wikoff D. J., Maintenance Engineering Handbook Seventh Edition, The McGraw-Hill Companies, [8] Niziński S., Utrzymanie pojazdów i maszyn, Biblioteka Problemów Eksploatacji, red. S. Niziński, R. Michalski, Olsztyn [9] PN-EN [10] PN-EN (189)

16 Andrzej Adamkiewicz, Arkadiusz Burnos [11] Zarządzanie finansami, red. D. Zarzecki, Publikacje Uniwersytetu Szczecińskiego, Szczecin [12] KEY PERFORMANCE INDICATORS IN MAINTENANCE OF GAS TURBINE ENGINES IN POWER SYSTEMS OF FLOATING VESSELS ABSTRACT Key performance indicators (KPI) are one of basic tools used in technical objects exploitation management. Proper implementation and use of KPI make it possible to improve and control maintenance as well as operation processes of power systems. The paper presents some aspects of use of key performance indicators related to maintenance of power systems in exploitation of floating units. It includes essential measurable technical, organizational and economic values in exploitation systems which can influence decisions related to maintaining floating objects in proper conditions according to the criteria measured. The authors review the KPI selection methods and try to interpret examples of the values. It also refers to the use of KPIs in computerized maintenance management systems (CMMS) as well as to the use of these systems to control maintenance of power systems. Keywords: key performance indicators, KPI, power system, floating vessel, gas turbine engine. 16 Zeszyty Naukowe AMW

17 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK LIII NR 2 (189) 2012 Adam Cichocki Akademia Marynarki Wojennej ANALIZA MOŻ LIWOŚ CI UŻ YCIA LEKKICH TORPED ZOP NA POLIGONACH MORSKICH MW RP STRESZCZENIE Artykuł przedstawia analizę możliwości wykonywania zadań z użyciem ćwiczebnych torped t. MU90 Impact na poligonach morskich MW RP. Dla uzyskania odpowiedzi na pytanie, na których poligonach morskich MW RP użycie tego typu torpedy jest bezpieczne i możliwe z punktu widzenia operacyjnego, analizie poddano wszystkie poligony morskie w strefie odpowiedzialności MW RP oraz taktyczne możliwości i ograniczenia torpedy MU90 Impact. W efekcie wskazano te poligony, na obszarze których w kontekście przyjętych warunków użycie torpedy jest możliwe i bezpieczne. Słowa kluczowe: poligony morskie, strzelanie torpedowe, torpeda, użycie uzbrojenia morskiego. WSTĘP Skuteczne wykorzystanie systemów uzbrojenia morskiego jest silnie skorelowane z organizacyjnym i merytorycznym przygotowaniem załóg okrętów w zakresie jego bojowego użycia. Zakładany poziom wyszkolenia uzyskuje się w trybie realizacji ćwiczeń i treningów związanych z przygotowaniem i faktycznym użyciem (najczęściej wersji ćwiczebnych) danego typu uzbrojenia. Wyjątku nie stanowi tutaj system lekkich torped zwalczania okrętów podwodnych (ZOP) eksploatowany na okrętach typu Oliver Hazard Perry (OHP) oraz śmigłowcach typu SH-2G Super SeaSprite i Mi-14 Pł, których kluczowym komponentem jest zaawansowana torpeda MU90 Impact. 17

18 Adam Cichocki Konstrukcja nowoczesnych systemów torpedowych oparta jest na skomplikowanych rozwiązaniach technologicznych, co owocuje najczęściej uzyskaniem wysokich współczynników efektywnościowych i niezawodnościowych. Narzuca to jednak potrzebę systematycznego testowania w warunkach zbliżonych do bojowych nie tylko uzbrojenia, ale również załogi okrętu biorącego udział w jego eksploatacji. Czasem i miejscem takich właśnie testów są ćwiczenia obejmujące strzelania torpedowe na specjalnie do tego celu wybranym akwenie, zwanym poligonem morskim. W niniejszym artykule przedstawione zostaną czynniki warunkujące wykonywanie ćwiczebnych strzelań torpedowych z użyciem lekkiej torpedy ZOP typu MU90 Impact na poligonach morskich MW RP. Analiza dotyczyła obszarów poligonów morskich znajdujących się pod jurysdykcją MW RP oraz panujących tam warunków nawigacyjno-hydrograficznych, które determinują możliwości wykonywania strzelań torpedowych z pokładu nosiciela nawodnego i lotniczego. POLIGONY MORSKIE MW RP Poligon morski to wydzielony akwen morza wraz z rozciągającą się nad nim przestrzenią powietrzną i ewentualnie przyległym do niego obszarem lądu o specjalnym przeznaczeniu. Poligony morskie zabezpieczają wykonywanie zadań ogniowych przez okręty MW, lotnictwo morskie, jednostki brzegowe MW oraz pododdziały współdziałających rodzajów sił zbrojnych, takie jak strzelania artyleryjskie i rakietowe do celów morskich i powietrznych, a także prowadzenie ćwiczeń taktycznych typowych dla poszczególnych rodzajów sił MW. Marynarka Wojenna w swoim obszarze odpowiedzialności dysponuje czterdziestoma trzema poligonami morskimi (rys. 1.), które rozmieszczone są wzdłuż całego polskiego wybrzeża. Znajdują się one zarówno na wodach wewnętrznych 1, morzu terytorialnym 2, jak i w wyłącznej strefie ekonomicznej 3. Można wyróżnić trzy główne obszary, w których występują: wokół portów Zatoki Gdańskiej, portów Łeba Darłowo oraz portów Świnoujście Dziwnów. 1 Wody wewnętrzne to wody pomiędzy linią podstawową morza terytorialnego a lądem. Zob. Konwencja Narodów Zjednoczonych o Prawie Morza z r. 2 Morze terytorialne to wody pomiędzy linią podstawową a linią oddaloną o 12 mil morskich od linii podstawowej. Zob. Konwencja Narodów Zjednoczonych, wyd. cyt. 3 Wyłączna strefa ekonomiczna to obszar położony na zewnątrz morza terytorialnego i przylegający do morza terytorialnego, o szerokości nie większej niż 200 mil morskich od linii podstawowych, od których mierzona jest szerokość morza terytorialnego. Zob. Konwencja Narodów Zjednoczonych, wyd. cyt. 18 Zeszyty Naukowe AMW

19 Analiza możliwości użycia lekkich torped ZOP na poligonach morskich MW RP Rys. 1. Rozmieszczenie poligonów morskich MW RP Źródło: Wykaz poligonów, torów wodnych, kotwicowisk MW RP, stref zamykanych dla żeglugi i rybołówstwa oraz stref niebezpiecznych dla lotów statków powietrznych na Obszarach Wodnych RP, wyd. II, Gdynia W celu wykonania zadania szkoleniowego na morzu siłom uczestniczącym w danym przedsięwzięciu szkoleniowym przydziela się odpowiednie poligony morskie, a w ramach poligonów w uzasadnionych przypadkach wydzielone zostają rejony, strefy, sektory lub rubieże. Miejsce i czas wykorzystania poligonów (rejonów wydzielonych, stref bądź sektorów) powinno być podane w tygodniowym planie szkolenia Marynarki Wojennej, a także w dokumentach danego ćwiczenia. Przeznaczenie i sposób wykorzystania każdego poligonu morskiego MW RP jest określone w Wykazie poligonów, torów wodnych, kotwicowisk MW RP, stref zamykanych dla żeglugi i rybołówstwa oraz stref niebezpiecznych dla lotów statków powietrznych na Obszarach Wodnych RP. Zgodnie z tą publikacją tylko trzy poligony morskie (P-2, P-11, P-32) przeznaczone są do strzelań torpedowych przez nosicieli nawodnych, podwodnych i lotniczych. Torpeda typu MU90 Impact jest uzbrojeniem nowym, które Marynarka Wojenna RP eksploatuje od kilku lat. Należy do rodziny tzw. torped lekkich, co oznacza, że zarówno jej wymiary geometryczne, jak i masa są znacznie mniejsze niż jej 2 (189)

20 Adam Cichocki standardowych odpowiedników (tzw. torped ciężkich), co ma wpływ na właściwości i wymagania operacyjne. Taki stan rzeczy pozwala na postawienie tezy, iż może ona być efektywnie używana do strzelań ćwiczebnych na większej liczbie poligonów niż te pierwotnie wyznaczone do strzelań torpedowych. Czynnikami determinującymi efektywne użycie tego typu uzbrojenia w trakcie ćwiczeń na poligonach morskich są warunki nawigacyjno-hydrograficzne oraz hydrologiczno-meteorologiczne panujące na wybranym poligonie w czasie odbywania ćwiczenia. Warunki te ponadto określają bezpieczeństwo ludzi i sprzętu bezpośrednio zaangażowanego w ćwiczenie (bezpieczeństwo nosiciela uzbrojenia i jego załogi, jednostek zabezpieczających ćwiczenie) oraz potencjalnych jednostek niezaangażowanych w ćwiczenie, a przebywających w pobliżu poligonu morskiego. KRYTERIA UŻYCIA TORPEDY MU90 IMPACT (TVE) Dla zapewnienia możliwości użycia torpedy ćwiczebnej oraz bezpieczeństwa ludzi i sprzętu podczas wykonywania ćwiczebnych strzelań torpedowych przeprowadzono analizę poligonów morskich ze względu na warunki nawigacyjno-hydrograficzne określające minimalne geometryczne wymiary oraz głębokości na poligonach morskich. Kryteria użycia odnoszą się bezpośrednio do ograniczeń operacyjnych torpedy MU90 Impact (rys. 2.) narzuconych przez jej właściwości techniczne oraz zalecenia producenta uzbrojenia. Rys. 2. Torpeda MU-90 Impact w wersji okrętowej (u góry) i w wersji lotniczej (na dole) Źródło: EuroTorp MU90 Brochure, materiały informacyjne firmy Eurotorp. 20 Zeszyty Naukowe AMW

21 Analiza możliwości użycia lekkich torped ZOP na poligonach morskich MW RP Torpeda MU-90 występuje w kilku wariantach, w zależności od jej przeznaczenia: TC (Torpile de Combat) bojowa wersja torpedy; TVE (Torpile Version Essai) ćwiczebna wersja torpedy; PDT (Practise Delivery Torpedo) treningowa wersja torpedy; Dummy Torpedo makieta torpedy. Dane taktyczno-techniczne wersji bojowej torpedy MU 90 Impact TC przedstawia tabela 1. Torpeda w wersji TVE ma te same właściwości mechaniczne i kinematyczne co torpeda bojowa, jednakże w miejsce głowicy bojowej montuje się głowicę ćwiczebną, pozbawioną ładunku materiału wybuchowego. Taka torpeda umożliwia ćwiczenia w zakresie przygotowania, wykonywania i oceny strzelań torpedowych z nosiciela nawodnego i lotniczego, a także stanowi doskonały sposób testowania i weryfikacji założeń producenta w zakresie sposobu i logiki jej działania w różnych sytuacjach taktycznych, co uzyskuje się po dokonaniu analizy danych telemetrycznych zarejestrowanych w czasie ćwiczenia. Tabela 1. Podstawowe dane techniczne i taktyczne torpedy MU-90 Parametr Wartość Kaliber 323,7mm ± 0,3 mm (12 3/4) Masa 304 kg (nosiciel nawodny) 314 kg (nosiciel lotniczy) Długość 2846 mm (nosiciel nawodny) 2858 mm (śmigłowiec) 2881 mm (nosiciel lotniczy) Minimalna głębokość akwenu podczas wodowania torpedy 20 m (nosiciel nawodny) 25 m (nosiciel lotniczy) Głębokość operacyjna m Prędkość torpedy od 29 do 50 węzłów zmienna co jeden węzeł Zasięg torpedy 10 km przy prędkości 50 węzłów 25 km przy prędkości 29 węzłów 15 km zasięg skuteczny (operacyjny) Minimalna temperatura powietrza przy wystrzale 26 C Stan morza: do 6 Zasolenie wody bez ograniczeń Temperatura wody 2 C do +35 C Typ dna bez ograniczeń Prędkość wiatru do 50 węzłów Źródło: EuroTorp MU90 Brochure, materiały informacyjne firmy Eurotorp. 2 (189)

22 Adam Cichocki Przy wyborze poligonów morskich, które powinny spełniać minimalne wymagania dotyczące wymiarów geometrycznych, najważniejszym parametrem, do którego należy się odnieść, jest całkowita długość biegu torpedy. Dla zapewnienia wykonania zadania strzelania torpedą MU-90 TVE 4 bez ograniczania jej taktycznych możliwości należy przyjąć, że skutecznie zrealizuje swoją misję w zakresie do 75% zasięgu skutecznego (15 km), co pozwala ustalić minimalną długość rubieży strzelania torpedą na poligonie na 10 kilometrów (około 5 mil morskich). Wystarczające jest zatem, aby przynajmniej jeden wymiar (bok czy przekątna poligonu morskiego) był większy niż 10 km, wówczas wzdłuż tej linii wyznaczyć można trajektorię biegu torpedy. Rys. 3. Przykład analizy wymiarów geometrycznych poligonów morskich: poligon P-14 w rejonie Półwyspu Helskiego oraz P-23 w rejonie Ustki i Darłowa (wartości podane w milach morskich) Źródło: P. Nowak, Nawigacyjno-hydrograficzne zabezpieczenie strzelania lekkich torped ZOP na poligonach morskich MW RP, praca magisterska, AMW, Gdynia Najbardziej istotnym warunkiem (parametrem) hydrograficznym charakteryzującym poligony morskie jest głębokość w rejonie poligonu (maksymalna, minimalna i średnia). Zestawienie maksymalnych i minimalnych głębokości występujących na poligonach morskich MW RP przedstawia tabela 2. Parametr hydrograficzny determinuje możliwość użycia torpedy MU90 Impact z uwagi na jej ograniczenia operacyjne określone na minimalnym poziomie 20 m głębokości morza przy użyciu z pokładu dla nosiciela nawodnego oraz 25 m dla zrzutu z nosiciela lotniczego. Do mniej istotnych parametrów hydrograficznych można zaliczyć: rzeźbę dna morskiego, 4 MU 90 TVE (fr. Torpile Version Essai torpeda w wersji ćwiczebnej) jest używana w trakcie strzelań ćwiczebnych na poligonach morskich. 22 Zeszyty Naukowe AMW

23 Analiza możliwości użycia lekkich torped ZOP na poligonach morskich MW RP występowanie mielizn i przeszkód nawigacyjnych, rodzaj gruntu dna oraz kąt spadku dna przy plażach i mieliznach. Dla określenia możliwości strzelania torped na danym poligonie zgodnie z powyższym ograniczeniem dokonano analizy głębokości maksymalnych i minimalnych akwenów wszystkich poligonów. Tabela 2. Porównanie poligonów morskich pod względem głębokości wyróżniono wartości spełniające kryteria głębokości minimalnej Nosiciel nawodny głębokość > 20 m Nosiciel lotniczy głębokość > 25 m Nr min max min max P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P Nosiciel nawodny głębokość > 20 m Nosiciel lotniczy głębokość > 25 m Nr min max min max P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P Źródło: P. Nowak, Nawigacyjno-hydrograficzne zabezpieczenie strzelania, wyd. cyt. 2 (189)

24 Adam Cichocki Wyniki analizy wykazują, że warunek głębokości spełniają poniższe poligony morskie: dla nosiciela nawodnego: P-4, P-5, P-6, P-7, P-8, P-9, P-10, P-11, P-14, P-16, P-17, P-18, P-19, P-22, P-25, P-28 oraz ze względu na swoje wymiary geometryczne również P-12, P-13, P-20, P-23, P-24, P-26; dla nosiciela powietrznego: P-5, P-6, P-7, P-9, P-10, P-11, P-14, P-16, P-17, P-18, P-19, P-22, P-25, P-28 oraz ze względu na swoje wymiary geometryczne również P-12, P-13, P-20, P-23, P-24, P-26. W celu dokładniejszej analizy niż ta oparta jedynie na określeniu maksymalnej i minimalnej głębokości dla każdego poligonu spełniającego warunek nawigacyjny (minimalnych wymiarów geometrycznych) oraz warunek hydrograficzny (dotyczący minimalnej głębokości wodowania torpedy dla nosiciela zawodnego i lotniczego) określono: najbardziej prawdopodobne rubieże strzelania torped w postaci głównych przekątnych poligonu (rys 5.); profil głębokości wzdłuż prawdopodobnej trajektorii biegu torpedy (przekątnej) w oparciu o opracowany profil batymetryczny całego poligonu (rys. 4. i.5.). Rys. 4. Ograniczenia głębokości wodowania torpedy dla nosiciela nawodnego i lotniczego oraz linie profilu głębokości w rejonie poligonu (d1 i d2) Źródło: P. Nowak, Nawigacyjno-hydrograficzne zabezpieczenie strzelania, wyd. cyt. 24 Zeszyty Naukowe AMW

25 Analiza możliwości użycia lekkich torped ZOP na poligonach morskich MW RP Poniższe ilustracje (rys. 5 7) obrazują: batymetrię całego obszaru poligonów w postaci czarnych linii izobat (wybrano P-14, P-17 i P-23), wytyczone rubieże strzelania torped (przekątne) w postaci linii w kolorze czerwonym i niebieskim oraz profil głębokości wzdłuż rubieży na wykresie głębokości. N Rys. 5. Batymetria poligonu P-14 oraz wykres profilu głębokości wzdłuż przekątnych Źródło: P. Nowak, Nawigacyjno-hydrograficzne zabezpieczenie strzelania, wyd. cyt. N Rys. 6. Batymetria poligonu P-17 oraz wykres profilu głębokości wzdłuż przekątnych Źródło: P. Nowak, Nawigacyjno-hydrograficzne zabezpieczenie strzelania, wyd. cyt. 2 (189)

26 Adam Cichocki N Rys. 7. Batymetria poligonu P-23 oraz wykres profilu głębokości wzdłuż przekątnych Źródło: P. Nowak, Nawigacyjno-hydrograficzne zabezpieczenie strzelania, wyd. cyt. PODSUMOWANIE Analiza charakterystyk poligonów morskich MW RP oraz parametrów taktyczno-technicznych torpedy typu MU90 Impact (TVE) pozwala stwierdzić, że strzelanie torpedowe może być wykonywane nie tylko na poligonach pierwotnie do tego celu przeznaczonych. Kryteria podstawowe, jakie określono dla użycia torpedy lekkiej typu MU90 Impact, odnoszą się do: minimalnych wymiarów geometrycznych poligonów zapewniających uzyskanie przez torpedę długości biegu na poziomie 75% jej zasięgu operacyjnego, czyli około 10 km (5 mil morskich); minimalnej głębokości morza w rejonie wodowania torpedy, które wynoszą odpowiednio dla nosiciela nawodnego 20 m i nosiciela lotniczego 25 m. 26 Zeszyty Naukowe AMW

27 Analiza możliwości użycia lekkich torped ZOP na poligonach morskich MW RP Analizie poddano wszystkie czterdzieści trzy poligony morskie MW RP, spośród których w wyniku zastosowania kryteriów nawigacyjnego (dotyczącego minimalnych wymiarów geometrycznych) oraz hydrograficznego (dotyczącego minimalnej głębokości) odrzucono dwadzieścia sześć. Pozostałe siedemnaście poligonów (P-9, P-10, P-12, P-13, P-14, P-15, P-16, P-17, P-18, P-19, P-20, P-22, P-23, P-24, P-25, P-26, P-28) spełnia łącznie obydwa warunki nawigacyjny (określający minimalne wymiary geometryczne poligonu morskiego dla efektywnego i bezpiecznego zrealizowania strzelania torpedowego) oraz hydrograficzny (dotyczący minimalnej głębokości morza) [3]. W związku z pierwotnie wyznaczonymi pięcioma poligonami do strzelań torpedowych (P-11, P-12, P-13, P-26, P-28) wykazanymi w [1] dla użycia torpedy ćwiczebnej typu MU90 Impact liczbę tę można rozszerzyć o kolejne dwanaście poligonów, co nie pozostaje bez wpływu na bezpieczeństwo. Aspekt ten jest kluczowy, gdyż wpływa na bezpieczeństwo jednostek i ludzi niebiorących udziału w ćwiczeniu i znajdujących się poza rejonem poligonu. Zastosowanie kryterium w tej postaci jako pierwszorzędnego gwarantuje manewrowanie torpedy na poligonie bez narażania na niebezpieczeństwo jednostek pozostających poza jego granicami. Warunek hydrograficzny formalnie zapewnia bezpieczeństwo samej torpedy (przed uderzeniem w dno) oraz warunkuje realizację jej misji podwodnej i sukces całego ćwiczenia. BIBLIOGRAFIA [1] EuroTorp MU90 Brochure, materiały informacyjne firmy Eurotorp. [2] Norma Obronna NO-07-A095:2008, Ćwiczenia na morzu poligony morskie. [3] Nowak P., Nawigacyjno-hydrograficzne zabezpieczenie strzelania lekkich torped ZOP na poligonach morskich MW RP, praca magisterska, AMW, Gdynia [4] Wykaz poligonów, torów wodnych, kotwicowisk MW RP, stref zamykanych dla żeglugi i rybołówstwa oraz stref niebezpiecznych dla lotów statków powietrznych na Obszarach Wodnych RP, wyd. II, Gdynia [5] 2 (189)

28 Adam Cichocki ANALYSIS OF POSSIBILITY TO USE ASW LIGHTWEIGHT TORPEDOES IN MARINE TEST RANGES OF THE POLISH NAVY ABSTRACT The article presents an analysis of possibilities to use MU90 exercise version torpedo in the Polish Navy naval test ranges. All the naval test ranges as well as operational features and limitations of MU90 TVE torpedo were analyzed to answer the question which of the naval test ranges fulfill requirements for effective and safe torpedo tests. As a result, specific naval test ranges where use of this torpedo is possible, effective and safe under the conditions adopted were indicated. Keywords: marine test ranges, torpedo firing, torpedo, employment of naval ordnance. 28 Zeszyty Naukowe AMW

29 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK LIII NR 2 (189) 2012 Leszek Flis Marek Sperski Akademia Marynarki Wojennej OCENA WPŁ YWU KSZTAŁ TU WIERZCHOŁ KA POCISKU NA PROCES PRZEBIJANIA PANCERZY STALOWYCH STRESZCZENIE Posługując się licencjonowanymi programami komputerowymi, opartymi na metodzie elementów skończonych, przeprowadzono symulacje numeryczne procesu przebijania odkształcalnego pancerza przez sztywne pociski o takich samych masach i średnicach, lecz różnych kształtach wierzchołków. Przyjęto, że pancerz jest zbudowany z materiału sprężysto-plastycznego ze wzmocnieniem nieliniowym według modelu Johnsona-Cooka. Rezultaty obliczeń przebijania pancerzy o różnych grubościach pociskami fabrycznymi o obłym kształcie wierzchołka potwierdzono eksperymentalnie. Na podstawie symulacji numerycznych wyznaczono wartości liczbowe współczynników oporu występujących w równaniach ruchu pocisku bazujących na kilku odmiennych modelach analitycznych. Słowa kluczowe: balistyka, pancerze, metody analityczne, symulacja komputerowa, eksperyment. WSTĘP W równaniach ruchu sztywnego pocisku wnikającego prostopadle w odkształcalną półprzestrzeń wpływ kształtu pocisku na przebieg wnikania uwzględniany jest zazwyczaj poprzez wprowadzenie odpowiedniego współczynnika oporu [2, 4, 8, 9]. Często stosowany model obliczeniowy oparty jest na założeniu, że wypadkowa siła działająca na pocisk o kształcie obrotowo-symetrycznym, przeciwna do kierunku ruchu, składa się z części stałej F 0 i z części F 2, zależnej od prędkości v pocisku oraz gęstości ρ materiału pancerza: 29

30 Leszek Flis, Marek Sperski ρ v 2 F2 = k π R, (1) 2 gdzie: R promień największego przekroju poprzecznego pocisku; k bezwymiarowy współczynnik oporu kształtu. 2 Równanie (1) przedstawia znany z mechaniki płynów wzór do obliczenia siły oporu czołowego ciała stałego przemieszczającego się w płynie lepkim. Liczni autorzy prac z zakresu balistyki końcowej zalecają przyjmowanie wartości liczbowych współczynnika k, wyznaczonych na podstawie pomiarów oporu ciał o różnych kształtach, umieszczonych w przepływach wody lub powietrza [7] bądź też za pomocą empirycznych wzorów opartych na takich pomiarach [8]. Jednak bezpośrednie wprowadzenie określonych w ten sposób współczynników oporu do obliczeń przebijania tarcz stalowych o skończonych grubościach (rzędu 1 4 średnicy pocisku), nie znalazło potwierdzenia eksperymentalnego [4]. Z połowy XX wieku pochodzi model obliczeniowy stworzony do opisu przebijania cienkich pancerzy zbudowanych z materiału idealnie sprężysto-plastycznego, ostrzeliwanych przez sztywne pociski o kształtach i wymiarach wierzchołków przedstawionych na rysunku 1. Rys. 1. Kształty i wymiary pocisków przebijających cienkie pancerze: a pocisk z wierzchołkiem stożkowym; b z wierzchołkiem owalnym Źródło: opracowanie własne. Określenie c i e n k i p a n c e r z oznacza, że jego grubość jest znacznie mniejsza od promienia pocisku. Założenie, że praca W, wykonana przez pocisk uderzający o pancerz z prędkością początkową v p, podczas wybijania w pancerzu otworu 30 Zeszyty Naukowe AMW

31 Ocena wpływu kształtu wierzchołka pocisku na proces przebijania pancerzy stalowych o objętości π R 2 h, składa się z pracy potrzebnej do uplastycznienia tej objętości materiału oraz z pracy sił bezwładności na przemieszczeniu uplastycznionego materiału o gęstości ρ, w kierunku normalnym do powierzchni pocisku, prowadzi do wzoru [2, 8]: 2 2 Re R W = π R h + k1 ρ v p (2) 2 b gdzie: k bezwymiarowy współczynnik kształtu; 1 R e granica plastyczności materiału. Współczynnik k 1 przyjmuje wartość 1, gdy wierzchołek pocisku ma kształt stożka obrotowego (rys. 1a) oraz wartość 1,86, gdy ma on kształt owalny o przekroju pokazanym na rysunku 1b. Poprzez przyrównanie przyrostu energii kinetycznej pocisku o masie m do wyznaczonej w ten sposób pracy można obliczyć prędkość v k pocisku po przebiciu pancerza: 2 2 2W vk = v p (3) m oraz największą prędkość v B, zwaną granicą balistyczną, przy której pocisk ten zostanie przez pancerz zatrzymany: 2W v B =. (4) m Porównanie wyników obliczeń przeprowadzonych za pomocą wzorów (2), (3) przebijania pancerzy stalowych o grubościach 8 32 mm pociskami fabrycznymi kalibru 12,7 mm z rezultatami eksperymentu [3] wykazało różnice sięgające kilkudziesięciu procent w ocenie prędkości końcowych k v pocisku oraz różnice przekraczające 250% w ocenie grubości pancerza odpornego na przebicie. Ujawnione rozbieżności skłaniają do podjęcia badań nad bliższym rozpoznaniem zjawisk towarzyszących przebijaniu pancerzy o skończonych grubościach, najczęściej stosowanych w praktyce. Narzędziem do takiego rozpoznania może się okazać metoda elementów skończonych, rozwijana od kilkudziesięciu lat w licznych ośrodkach badawczych na świecie. 2 (189)

32 Leszek Flis, Marek Sperski SYMULACJE KOMPUTEROWE W obliczeniach opartych na metodzie elementów skończonych (MES) posłużono się dwoma licencjonowanymi programami komputerowymi: LS-DYNA opracowanym w kalifornijskim ośrodku firmy Livermore Software Technology Corporation [5] oraz ANSYS AUTODYNA rozwijanym przez międzynarodową fundację Century Dynamics (od 2005 ANSYS) z główną siedzibą w podlondyńskim Horsham [1]. Przyjęto, że pancerz ostrzeliwany prostopadle przez nieodkształcalne pociski jest zbudowany z materiału sprężysto-plastycznego ze wzmocnieniem nieliniowym według modelu Johnsona i Cooka: = + n & ε σ ( ) 1 + ln pl A Bε C, (5) & ε 0 gdzie σ, ε, & ε, & pl ε 0, odpowiednio: zredukowane (wg hipotezy Hubera-Misesa) naprężenia plastycznego płynięcia, zredukowane odkształcenia plastyczne oraz zredukowane prędkości odkształcenia plastycznego; A, B, C, n stałe współczynniki wyznaczane za pomocą eksperymentów. Zastosowane w programie kryterium zniszczenia wiąże się z potrzebą doświadczalnego określenia kolejnych stałych materiałowych: D 1, D2, D3, D4, występujących we wzorze na zredukowane odkształcenie zniszczenia. Przyjmuje się, że materiał nie ulega zniszczeniu, dopóki wartość D = 1.0 wg kryterium: D = Δ ε f, ε f przy czym ε określone jest jako: = + D3 ( σ & ε ε + f D1 D2 e ) 1 D4 ln, (6) & ε 0 gdzie σ = σ m / σ red bezwymiarowy iloraz, w którym σ m oznacza naprężenie hydrostatyczne, a σ red naprężenia zredukowane wg hipotezy Hubera-Misesa. Wartości liczbowe wymienionych współczynników, charakteryzujących właściwości fizyczne materiału pancerza, wyznaczono na podstawie pomiarów 32 Zeszyty Naukowe AMW

33 Ocena wpływu kształtu wierzchołka pocisku na proces przebijania pancerzy stalowych przeprowadzonych w laboratorium wytrzymałościowym Instytutu Podstaw Konstrukcji Maszyn przy Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni oraz na podstawie serii eksperymentów połączonych z przestrzeliwaniem stalowych próbek zamontowanych na wahadle balistycznym, wyposażonym w odpowiednie przyrządy pomiarowe [7]. Istota eksperymentu sprowadzała się do przestrzeliwania fabrycznymi pociskami karabinowymi 12,7 mm stalowych próbek o grubościach zmieniających się (co 2 mm) od 8 do 32 mm oraz pomiarów prędkości pocisku przed i za przestrzeloną próbką. Szczegóły dotyczące kształtu, budowy i wymiarów pocisku (o masie 2 m = 4,96 10 kg) podano w pracy [3]. Próbki, w postaci krążków o średnicy 120 mm, wspartych w wahadle balistycznym na tulei o średnicy wewnętrznej 100 mm, wykonano z okrętowej stali konstrukcyjnej o symbolu 10GHMBA, gęstości ρ = 7830 kg/m 3, module sprężystości 5 E = 2,09 10 MPa, współczynniku Poissona ν = 0, 3, granicy plastyczności R e = 695 MPa, statycznej wytrzymałości na rozciąganie R m = 758, 5 MPa oraz statycznej wytrzymałości na ścinanie R τ = 438 MPa. Modele obliczeniowe przestrzeliwanych krążków podzielono, zależnie od grubości próbek, na ośmiowęzłowych bryłowych elementów skończonych. Liczba węzłów przy takim podziale wyniosła odpowiednio od 3792 do Obliczenia, wykonane odrębnie za pomocą wymienionych wyżej programów, wykazały dobrą zgodność z eksperymentem [3] po wprowadzeniu następujących stałych materiałowych: A R = 695 MPa; B = 510 MPa; C = 0, 014 ; n = 0, 26 ; = e D 1 = 0,05 ; D 2 = 3, 44 ; D 3 = 2, 12 ; D 4 = 0, 002. Symulacje komputerowe ujawniły ponadto znacznie większe obszary uplastycznienia materiału podczas przebijania pancerzy (rys. 3 5), niż przyjęto w modelu analitycznym prowadzącym do wzoru (2). Wyznaczone w powyższy sposób wartości liczbowe współczynników określających właściwości materiału pancerza przyjęto za podstawę komputerowych symulacji procesu przebijania tarcz sztywnymi pociskami o innych kształtach wierzchołków, lecz takich samych masach i średnicach jak opisane pociski fabryczne. Badaniom poddano modele pocisków o kształtach i wymiarach pokazanych na rysunku 2. Wyniki obliczeń prędkości pocisków po przebiciu pancerzy o różnych grubościach, uzyskane za pomocą programów komputerowych LS-DYNA i ANSYS-AUTODYNA, przedstawiono w tabeli 1. Na rysunkach 3 5 pokazano rozkłady naprężeń zredukowanych w materiale pancerza w trzech wybranych chwilach procesu wnikania sztywnego pocisku w odkształcalny pancerz. W obszarach uplastycznienia materiału wartości naprężeń zredukowanych przekraczają 695 MPa. 2 (189)