Лодки из ткани ПВХ: свойства и прочность материалов

Пленочные материалы на основе ПВХ (поливинилхлорид), используемые для производства надувных лодок, бывают армированные и не армированные. В любом случае это воздухонепроницаемые материалы.

Неармированные материалы - это, условно говоря, пленка. Ее прочность на растяжение недостаточна для производства надежных надувных конструкций, поэтому из нее производят лодки для детских пляжных развлечений. Несмотря на низкую цену, доступность для приобретения в любом современном продуктовом гипермаркете и рекламируемую возможность использования с ними маломощных подвесных моторов, использования таких изделий в качестве плавсредства следует категорически избегать.

Армированные материалы формируются на основе полимерных армирующих тканей, придающих прочность на растяжение и разрыв, и в настоящее время активно используются в малом судостроении. Далее для таких материалов будем использовать термин "ткань ПВХ", или просто "ПВХ".

Свойства ткани ПВХ

Основными положительными свойствами тканей ПВХ являются прочность, износостойкость, широкий предел рабочих температур использования, а так же химическая и биологическая инертность материала применительно к условиям эксплуатации.

Рассмотрим основные свойства тканей ПВХ и проанализируем, каким образом они проявляются в надувных лодках.

Любая ткань ПВХ, будучи товарным продуктом, имеет соответствующую спецификацию. Напомним, что спецификацией является перечень значений основных показателей товара, необходимых для выполнения инженерных расчетов будущих изделий и сравнения с аналогичными товарами с целью выбора наиболее подходящего варианта. Чтобы показатели спецификации, используемые для сравнения конкурирующих товаров, были корректны и сопоставимы, их определяют в соответствии с государственными или международными стандартами. Каждый параметр спецификации имеет ссылку на соответствующий стандарт, в соответствии с которым он определен.

Прочность на разрыв

Все надувные части судов, такие как бортовые баллоны, подпалубные кильсоны или элементы надувного дна, выполняются в виде герметичных цилиндров постоянного или переменного диаметра, прямолинейные или искривленные.

Для придания корпусу надувного судна необходимой прочности все надувные элементы должны быть накачены до определенного рабочего давления. Для бортовых баллонов это, как правило, 250 мБар, для подпалубного кильсона и элементов надувного дна низкого давления - 400 мБар.

Внутреннее избыточное давление вызывает значительные напряжения в оболочке. Причем при равном давлении баллоны большего диаметра испытывают большие нагрузки.

Показателем спецификации, характеризующим прочность ткани ПВХ, является прочность на разрыв, измеренная по направлению и поперек к долевой нити тканевой основы. Обозначается в спецификации примерно так: 3000/3000 N/50mm. Такое значение говорит о том, что для разрыва ленты шириной 50 мм необходимо приложить силу 3000 ньютонов в любом из направлений. В переводе на бытовой язык: лента шириной 5 см выдерживает подвешенный груз весом примерно 300 кг.

Расчет нагрузки на баллон диаметром 40 см под действием избыточного давления 250 мБар показывает, что в радиальном направлении на баллон действует сила 250 N/50mm, т.е. примерно 25 кг на 5 см. На баллон диаметром 60 см с таким же значением избыточного давления будет действовать сила 375 N/50mm.

Действие внутреннего давления - не единственная нагрузка на всю конструкцию судна. Следует также учесть нагрузки судна во время эксплуатации, вызванные дополнительными напряжениями при кручении и продольном изгибе корпуса, соударением с волной и распределением веса членов экипажа на бортовые баллоны. Чем более скоростное судно, тем выше дополнительные нагрузки. Поэтому при производстве небольших лодок с маломощными моторами используют ткань ПВХ с трехкратным запасом прочности, для более грузоподъемных и скоростных судов - пятикратным.

Таким образом, для небольшой лодки ПВХ с навесным транцем и диаметром бортового баллона 40 см можно использовать ткань с прочностью на разрыв 750 N/50mm. Для лодки с вмонтированным транцем, расчитанной на движение в режиме глиссирования под мотором, скажем, 15 л.с., и бортовым баллоном такого же диаметра, следует использовать ткань с показателем прочности 1250 N/50mm. Для глиссирующих лодок ПВХ с диаметром бортового баллона 60 см показатель прочности ткани должен составлять 1875 N/50mm.

Строго говоря, ткань ПВХ не является абсолютно устойчивой к растяжению. При замерах прочности на разрыв образец до достижения предельных нагрузок предварительно растягивается. При критических нагрузках растяжение достигает порядка 25-30%, при нагрузке, идентичной условиям эксплуатации под действием избыточного давления в баллонах - порядка 0.5-1%. Подробнее про методику определения показателей можно прочесть в материале Прочность ткани ПВХ на разрыв: стандарты ISO-1421, DIN-55354, ГОСТ-30303.

Некоторая способность материала к растяжению представляется весьма полезной. Благодаря этому свойству при нагнетании давления во время приведения судна в рабочее состояние разглаживаются складки ткани.

Плотность ткани ПВХ

Плотность ткани ПВХ - это, пожалуй, единственный показатель спецификации, известный продавцам лодок и дилерам фирм-производителей. Измеряется в граммах на квадратный метр. Например, показатель плотности 850 г/м² говорит о том, что квадратный метр такой ткани ПВХ весит, соответственно, 850 г.

Следует заметить, что прочностные характеристики тканей ПВХ определяются в основном свойствами кордовой ткани, которая может быть одинаковой для марок ткани с различной плотностью. Т.е. в общем случае более плотная ткань не значит, что она более прочная.

Однако на практике для тканей в интервале плотности 600-900 г/м², предназначенных для небольших лодок и спасательных плотов, производители увеличивают прочность на разрыв в среднем с 2200 до 3000 N/50mm. В то же время у тканей в интервале плотности 950-1300 г/м², предназначенных для грузоподъемных лодок и рафтов, прочность на разрыв не меняется и составляет 4500/4500 N/50mm.

Плотность ткани ПВХ однозначно свидетельствует о ее износостойкости. Поливинилхлорид - бытовой чемпион по производству материалов, подвергающихся износу. Именно его используют для производства напольных покрытий, например таких, как линолеум, который, имея в толщину всего пару миллиметров, может служить годами, прежде чем на нем проступят следы истирания.

В тех местах судна, которые не подвергаются износу, нет смысла использовать плотную ткань. Для исполнения подводных частей судна, ввиду возможности истирающего контакта с жестким донным или береговым грунтом, имеет смысл использовать ткань более высокой плотности. Особенно это актуально для производства рафтов - плотов для сплавов, контактирующих на скорости днищем и бортами с жесткими скальными породами. В этом случае более толстый слой полимера предохранит кордовую ткань от разрушения и сохранит прочность и воздухонепроницаемость материала.

Для дополнительной защиты от истирания и повреждения ткани используются противоабразивные ленты из поливинилхлорида шириной 5-9 см, которые наклеиваются на наиболее уязвимые места подводной части судна, например, низ бортовых баллонов, киль, нижний торец транцевой плиты и днище в местах расположения стрингеров.

Применение дополнительных элементов защиты не избавляет от необходимости использовать ткань подходящей плотности и часто является опцией при продаже, предоставляя потребителю возможность самостоятельно влиять на износостойкость судна в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации. Применение данных опций увеличивает цену судна на стоимость дополнительных работ и материалов, а также в среднем на 1-3 кг увеличивает вес комплекта.

Фото к публикации Лодки из ткани ПВХ: свойства и прочность материалов

Задиры и мелкие повреждения днища лодки ПВХ от контакта с донным грунтом

Для производства небольших лодок ПВХ с навесным транцем используют ткань ПВХ низкой плотности - порядка 620-650 г/м². Этого вполне достаточно для исполнения надувных бортов. Однако, ввиду специфики конструкции, палуба таких лодок не обладает достаточной жесткостью и может ощутимо прогибаться под весом человека. В этом случае при посадке/высадке пассажиров у берега на мелководье ткань днища плотно контактирует с грунтом. При наличии твердых грунтовых фрагментов образуются царапины и задиры поверхностного слоя ткани, что может стать причиной нарушения водонепроницаемости.

Поэтому для днища лодки следует использовать ткань ПВХ более высокой плотности. При этом общий вес и себестоимость комплекта останутся практически неизменными. В качестве иллюстрации рассмотрим следующий пример. Пусть площадь днища лодки ПВХ с навесным транцем составляет 1.5 м² (в реальности 1.3-1.9 м²). При замене ткани 650 г/м² по цене 120 рублей на ткань 950 г/м² по 200 рублей за квадратный метр общий вес комплекта увеличится на 450 г, а стоимость возрастет всего на 120 рублей.

Прочность ткани ПВХ на раздир

Прочность ПВХ на раздир является еще одним показателем товарной спецификации. Согласно методике проведения испытаний параметр характеризует усилие, прилагаемое для разрыва предварительно надрезанного образца вдоль линии надреза.

Ткани ПВХ для малого судостроения имеют значение показателя в диапазоне 170-500 Н.

При переводах спецификаций прочность на раздир часто переводят неверно, путая с прочностью на разрыв, хотя параметры имеют различный физический смысл.

Подробнее с техникой проведения испытаний образцов ткани на раздир можно ознакомиться в материале по ссылке.

Прочность клеевых соединений

Соединение частей ткани ПВХ в единую конструкцию является технологически сложным, трудоемким и ответственным процессом. Помимо обеспечения герметичности конструкции, швы должны выдерживать нагрузку, создаваемую избыточным рабочим давлением надувных частей.

На сегодняшний день основными способами соединения ткани ПВХ являются сварка и склеивание. Сварные соединения выглядят более опрятно. Однако нельзя утверждать, что они превосходят качественно выполненные клеевые швы по прочности.

Нам представляется, что внедрение сварки ткани ПВХ при производстве надувных судов, прежде всего, обусловлено соображениями охраны труда, возможностью автоматизации и снижением влияния человеческого фактора на качество конечного продукта. Внедрение такой технологии требует серьезных затрат и доступно лишь производителям с высоким инвестиционным потенциалом.

На сегодняшний день в бюджетном сегменте надувных судов доминируют клеевые соединения.

Для склеивания используют двухкомпонентные клеи, обеспечивающие прочность соединений на разрыв 90 Н/см² и температурный предел использования порядка 105°С.

Как было показано выше (см. материал по теме Натяжение ткани ПВХ надувного баллона: расчет нагрузки), максимально допустимая радиальная нагрузка на ткань баллона диаметром 40 см с учетом трехкратного запаса прочности составляет 750 N/50мм. Такую же нагрузку должен выдерживать клеевой шов, расположенный вдоль баллона. На клеевой шов, расположенный вокруг баллона, нагрузка при прочих равных условиях в два раза ниже.

Далее при обзоре показателей прочности мы будем говорить о клеевом соединении вдоль баллона судна.

Итак, модельный клеевой шов шириной 5 см и нахлестом ткани 1 см имеет предел прочности соответственно 90*5=450 N/50мм.

Чтобы выйти на предел прочности 750, необходимо обеспечить нахлест ткани для склеивания 750/450 = 1.7 см.

Для обеспечения предельной расчетной нагрузки 1875 N/50mm, необходимой для серьезной эксплуатации судов с диаметром бортового баллона 60 см, потребуется нахлест 4,2 см.

Существуют два подхода к выполнению клеевых швов. Наиболее распространенный вариант - расположение ткани баллона "встык" с двухсторонней проклейкой лентами ткани ПВХ. Таким образом, например, при ширине ленты 4 см суммарный нахлест на каждую часть баллона составит 4 см - по 2 см с каждой стороны, - обеспечивая предел прочности клеевого шва 4*450=1800 N/50мм, что более чем достаточно для небольших лодок ПВХ с расчетным пределом прочности 750 N/50мм.

Дополнительный запас прочности поможет существенно компенсировать огрехи и небрежность, неизбежные при использовании ручного труда.

В случае, когда требуется большая ширина лент, ткань баллона соединяют "внахлест", дополнительно проклеивая шов с двух сторон лентами из ткани ПВХ. При этом потребуется лента меньшей ширины. Это более предпочтительно из эстетических соображений.

Например, для обеспечения предельной нагрузки 3750 N/50mm потребуется лента 8,4 см. Если ткань баллона проклеить внахлест 2,4 см, то для двустороннего усиления такого шва понадобится лента шириной всего 6 см.

Использование клея, не предназначенного для производства лодок ПВХ, отрицательно сказывается на качестве изделия.
Прочности соединений может оказаться недостаточно для пиковых нагрузок. Значительно страдает термостойкость шва. Полимер однокомпонентных клеев при увеличении температуры становится более пластичным. При нагреве лодки на берегу от солнца швы могут "поплыть", и надувной баллон лопнет. Владельцу такого судна придется обращать пристальное внимание на уровень давления в баллоне в солнечную погоду, если лодка находится на берегу.

Правильно спроектированное судно вне контакта с водой не пострадает от солнечного тепла. Многочисленные лодки ПВХ, используемые в качестве разъездных шлюпок, основное время проводят на палубах яхт, открытые солнцу в условиях субтропического климата. В них даже не устанавливают предохранительные клапаны избыточного давления.

Расчеты (см. статью Зависимость давления в баллоне лодки ПВХ от температуры) показывают, что увеличение температуры воздуха в баллоне при нагреве под действием солнца с 27 до 57°С ведет к увеличению избыточного давления на 50% с 250 мБар до 375 мБар.
Но мы знаем, что надувные части судна проектируется со значительным запасом прочности по отношению к действию избыточного давления. Величина запаса прочности составляет от трех до пяти. Поэтому судно на берегу без воздействия дополнительных эксплуатационных нагрузок спокойно выдерживает пятидесятипроцентный рост давления.

Рассказы рыбаков о взорвавшихся на берегу лодках – свидетельство желания безответственных производителей снизить себестоимость изделия за счет использования более дешевых материалов, не предназначенных для судостроения. В данном случае клея.

RIB: прочность клеевого с соединения надувного баллона с корпусом

При производстве судов типа RIB (Rigid Inflatable Boat) монтаж надувных баллонов к корпусу из твердого материала практически всегда выполняется на клеевой основе.

Суда RIB для своего класса водоизмещения имеют превосходные мореходные качества, обладая замечательным ходом по волне. Интернет пестрит видеофрагментами, на которых RIB-ы на большой скорости взмывают над поверхностью воды, используя большие волны как трамплин, затем, пролетев несколько метров, приводняются, взметая фонтан брызг.

Не вдаваясь в смысл выполнения таких трюков, зададимся вопросом, насколько прочным должно быть соединение баллона с корпусом, чтобы выдерживать удары о воду на столь высоких скоростях.

Для этого рассмотрим условный пример. Для наглядности смоделируем чрезмерно экстремальные условия. Предположим, лодка с полным водоизмещением 900 кг на скорости 60 км/час врезается носом в волну и полностью теряет скорость.

Столкновение тела с жидкостью носит вязкий характер и не приводит к мгновенной остановке тела. Однако, с точки зрания механики, вязкие свойства воды на высокой скорости в значительной степени нивелируются, поэтому будем считать, что в нашем условном примере время до полной остановки составляет 0.01 с.

Согласно расчету, значение силы, действующей на судно до его полной остановки, составляет 15000 Н. Это значение можно расценивать как удар силой 1500 кг.

Предположим, весь удар пришелся на носовую оконечность судна протяженностью по борту 1 метр. Выше мы неоднократно оперировали различными прочностными показателями, приведенными к 5 см длины, чтобы было удобно сопоставлять результаты с пределом прочности материала по спецификации.
В этом случае, распределив 15000 Н на 5-ти сантиметровый участок борта, получим значение 750 Н/50мм. Это значение значительно меньше предельной прочности ткани ПВХ. Напомним, что используемые для малого судостроения ткани ПВХ имеют показатели прочности на разрыв 2200 Н/50мм и более.

Кроме того мы знаем, что клей обеспечивает разрывную прочность соединения, согласно спецификации, 90 Н/см². Это значит, что для удержания силы удара об воду в модельном примере клеевой шов должен иметь ширину 750/90 = 8,3 см на участке борта длиной 50 мм.

Фото к публикации Лодки из ткани ПВХ: свойства и прочность материалов - монтаж баллона к жесткому корпусу RIB

Монтаж баллона к жесткому корпусу небольшой лодки RIB:
1 - контактная площадка жесткого корпуса;
2 - дополнительное усиление крепления баллона лентой из ПВХ

Для монтажа баллона жесткий корпус имеет специальную контактную площадку по всей протяженности надувного борта. Даже самые маленькие лодки RIB имеют ширину контактной площадки 8-10 см. Кроме того, соединение баллона с корпусом дополнительно проклеивается снаружи и с внутренней стороны судна лентами из ткани ПВХ такой же ширины, дополнительно создавая запас прочности.

Суда с большим водоизмещением имеют значительно более высокий запас прочности за счет увеличения поверхности клеевого контакта.

Придуманный нами пример поведения судна при столкновении с волной едва ли возможен в реальной жизни. Небольшому судну в условиях повышенного волнения не развить такую скорость без риска для жизни экипажа. Удары о волну всегда приходятся по касательной, при этом, хотя и может происходить заметное снижение скорости, полной остановки судна не происходит. Резкие удары, приходящиеся на баллон, благодаря его упругим свойствам в значительной степени смягчаются.

Мировой опыт постройки и эксплуатации судов класса RIB весьма значителен. Они давно и успешно используются, в том числе, для работы в условиях экстремального волнения. И если говорить о надежности клеевого соединения баллона ПВХ с корпусом, для предписанных условий эксплуатации его можно считать абсолютно надежным.

*

*