Управление судном при передаче грузов в море траверзным способом

0.1. Техническая сущность и актуальность вопроса передачи грузов в море.

Швартовные и грузовые операции в открытом море из-за незащищенности судов от воздействия волнения, ветра и течений являются в морской практике особо сложными и относятся к категории неизбежного производственно-хозяйственного риска. [40].

В настоящее время погрузочно-разгрузочные операции в море проводятся, в основном, контактным способом. Для уменьшения влияния волнения ошвартованные суда применяют кранцевую защиту и швартовы с амморти-зирующими устройствами. [41 ].

Применяемые в качестве грузовых устройств судовые краны и стрелы с обычными лебедками без следящего устройства не обеспечивают сохранности груза и безопасности людей, поэтому в условиях повышенного волнения (более трех баллов) грузовые операции, как правило, прекращаются. [40].

Для обеспечения безударного опускания груза на палубу применяют палубные краны со следящим устройством, качающимися стреловыми системами, гибкие эстакадные трапы, амортизирующие устройства и стабилизирующие лебедки, которые позволяют проводить грузовые операции контактным способом при наличии волнения.

Отдельные конструктивные усовершенствования, попытки внедрения которых на судах снабжения и обеспечения пока еще предпринимаются, направлены в основном на решение проблемы обеспечения безопасности перегрузочных операций. При этом достигнут определенный прогресс благодаря внедрению на судах грузовых устройств, способных отслеживать колебания взаимодействующих судов и компенсировать динамические нагрузки, которые возникают в элементах устройств при качке, а также систем автоматизированного управления грузовыми стреловыми устройствами [46]. Однако эти решения не уменьшили риск навала судов как при швартовке, так и при проведении грузопередачи.

Швартовка крупнотоннажных судов друг к другу в открытом море очень сложна, а в некоторых случаях невозможна. Огромная кинетическая энергия судов делает опасным момент их касания даже при небольшой относительной скорости движения.

В условиях, когда из-за волнения и ветра суда не могут осуществлять грузовые операции ошвартованными друг к другу, применяют бесконтактные способы, при которых принимающее и передающее груз суда находятся на некотором безопасном расстоянии одно от другого.

В последнее десятилетие проблема производства грузовых операций в открытом море стала особенно актуальной. Объясняется это, в первую очередь, значительным развитием флота крупнейших морских держав мира, связанных с обеспечением, как коммерческих задач, так и освоением мирового океана с целью добычи полезных ископаемых.

В связи с этим возникла насущная необходимость создания специальных судов обеспечения, оснащенных мощными и совершенными грузовыми устройствами, способными осуществлять передачу грузов в море с судна снабжения на другие суда, а также на необорудованный берег и прочие стационарные и плавучие объекты.

Быстро растущее потребление нефти и газа усилило внимание к их добыче не только на суше, но и в морях и океанах. Для обслуживания и ремонта морских стационарных платформ необходимы специальные суда, оборудованные устройствами для передачи людей и грузов на указанные объекты, а также способные производить грузовые операции при значительном волнении моря.

Военно-морские силы стран НАТО применяют передачу на ходу топлива и снабжения еще с середины прошлого века. На кораблях российских ВМС первые испытания ПКД проводились в 80-х годах прошлого века. В последние годы тренировки по передаче грузов на ходу отрабатывались в ходе совместных учений ВМФ России и кораблей стран НАТО («Active Endevour» -2006, «BlackSeaFor» — 2006).

Несмотря на сложность операции передачи грузов на ходу, она имеет ряд существенных преимуществ. Корабли не останавливаются, а продолжают движение, что дает выигрыш во времени. Организовать якорную стоянку не всегда позволяют глубины, а передача в дрейфе более опасна, чем на ходу. В условиях повышенного волнения движущиеся корабли более устойчивы. Кроме того, корабль на ходу более маневрен и обладает достаточной боеготовностью.

По оценке военно-морских специалистов [41] материально-техническое снабжение кораблей в море на ходу эквивалентно увеличению числа боевых единиц в соединении.

Суда рыбопромыслового флота ведут промысел в удаленных районах мирового океана. Эффективность такой добычи в значительной степени зависит от решения проблемы передачи грузов в море, поскольку экономически целесообразнее, чтобы промысловые суда получали снабжение и сдавали улов непосредственно в районе промысла на транспортные суда или плавбазы.

По мнению отечественных и зарубежных специалистов [41,47] возможности контактного способа передачи грузов в открытом море в значительной мере исчерпаны.

Использование бесконтактных способов исключает швартовые операции на ходу, дает возможность избежать повреждений корпусов и устройств судов, создает возможность использовать переходы, позволяет выполнять передачу грузов, а при необходимости и людей, при повышенном волнении моря, что существенно улучшает эксплуатационные показатели работы судов различного назначения.

Из вышесказанного следует, что вопрос передачи грузов в море бесконтактным способом, и особенно при повышенном волнении, актуален и требует своего разрешения.

0.2 Общая направленность исследований. Цель работы.

Техническая эксплуатация судовых грузопередающих устройств совместно с задачами управления судами при траверзном способе передачи грузов представляет собой комплексную проблему, включающую решение большого числа разнообразных по характеру задач.

Главные задачи связаны с обоснованием основных характеристик следященатяжного устройства, а также оценка управляемости и остойчивости судов в специфических условиях, обеспечивая производительность, надежность и безопасность грузопередачи в открытом море.

Довольно широкий круг вопросов в области расчета, проектирования и использования судовых канатных дорог, математического описания движения и гидродинамики судна в различных условиях плавания рассмотрен в множестве работ отечественных и зарубежных ученых, таких как Н. И. Махорин, К. М. Барамидзе, И. А. Горшков, А. В. Бачище, А. Е. Маслов, А. М. Басин, В. А. Логиновский, Ю. М. Мастушкин, Р. Я. Першиц, Г. В. Соболев, М. АЬкошкг, ЬБапс!, К-Иоток), М1ЧоггЫп, К. Куипа, K. McTaggart, КМсв^ог, Р. КтЬпапкийу, Я^ке^с, К. Уагуаш, О. уап ОоПтегезеп, М. УаШоггс, У. УоэЫтига и других. Однако проведенные исследования, несмотря на их глубину, носят, в определенной степени, локальный характер, а задачи управления судами при траверзном способе передачи грузов рассмотрены только в постановочном варианте.

Актуальность исследований управления судном при передаче грузов в море диктуется, во-первых современными потребностями при освоении пространств и ресурсов Мирового океанаво-вторых, повышением эффективности морского флота в русле Морской доктрины России, в-третьих, наличием большого числа нерешенных задач, прямо связанных с технической эксплуатацией судов при бесконтактном способе грузопередачи в условиях повышенного волнения моря.

Объект исследования — грузовые операции в море.

Предмет исследования — безопасность мореплавания при траверзном способе передачи груза в море.

Целью диссертационного исследования является разработка моделей, методик и алгоритмов управления судами и технического обеспечения грузопередачи траверзным способом при повышенном волнении моря.

В число основных задач исследования входят:

— анализ современного состояния технического обеспечения грузопередачи на суда в открытом море;

— исследование поведения судов при различных схемах силового воздействия со стороны подвесной канатной дороги;

— разработка методики и модели управления судами при траверзном способе передачи грузов;

— определение влияния грузопередачи на остойчивость судна.

— разработка практических рекомендаций по управлению судном при использовании траверзного способа грузопередачи;

— исследование возможности автоматизированного управления судами при передаче грузов с помощью подвесных канатных дорог;

— создание программного обеспечения для решения задач управления судами при траверзном способе передачи грузов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в комплексном исследовании процесса грузопередачи и управления судном, в результате чего:

1. Разработана методика определения управляющих воздействий на судно при грузопередаче с учетом месторасположения точки крепления ПКД, траверзного расстояния, скорости и относительного положения судов, массы передаваемого груза в условиях повышенного волнения моря базирующаяся на: использовании уравнений движения судна с введением дополнительной силы от действия ПКД;

— выделении трех этапов процесса грузопередачи (подход, передача груза, отход);

— разработке алгоритмов управления судном на каждом из выделенных этапов процесса передачи груза траверзным способом в открытом море.

2. Разработана новая математическая модель зависимости угла дрейфа и требуемого угла перекладки руля с учетом дополнительной силы воздействия подвесной канатной дороги, что обеспечивает более полный учет силовых факторов воздействия на судно.

3. Усовершенствована схема подвесной канатной дороги, отличающаяся от известных отсутствием несущего и введением спуско-подъемного канатов, что упрощает конструкцию канатной дороги и повышает ее надежность.

4. Впервые произведена оценка остойчивости крупнотоннажных судов под действием поперечной составляющей натяжения ПКД: выведена линейная зависимость угла крена от высоты точки крепления ПКДнайдены значения углов крена с помощью диаграмм динамической остойчивости, что обеспечивает повышение безопасности грузопередачи.

Теоретическая значимость заключается в разработке научно-методического аппарата моделирования динамического состояния и прогнозирования поведения судна при траверзном способе передачи груза в условиях повышенного волнения моря.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке эффективных инженерных методов анализа, оценки, формирования и обоснования технических характеристик морских • грузопередающих устройств, а также научно-методической базы для разработки и принятия алгоритма расчета и обоснования оптимального решения вопросов управления судном при передаче груза в море траверзным способом.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается использованием известных положений теоретической механики, динамики грузопередающих устройств, гидродинамики, теории автоматического управления судном, математического моделирования, хорошей сходимостью полученных результатов с исследованиями отечественных и зарубежных специалистов.

0.3 Краткое содержание работы.

Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе выполнен анализ существующих способов и устройств передачи грузов в море и дана оценка условий их работы, сформулирована постановка задач исследования.

В п. 1.1 приводится структурная схема таких грузовых устройств и описывается назначение основных их узлов и элементов.

В п. 1.2 рассматриваются условия работы судовых грузопередающих устройств. На примере бортовой, килевой и вертикальной качки судна показано воздействие сил инерции на судовые конструкции, которые необходимо учитывать при динамическом расчете ПКД.

В п. 1.3 сформулированы специфические требования, предъявляемые к грузовым устройствам со следящим приводом, т. е. безударность и безопасность проведения грузовых операций, а также плавность движения передаваемого груза.

В п. 1.4 рассмотрены способы и устройства для передачи грузов бесконтактным кильватерным способом. Представлены схемы устройств для грузопередачи на буровую вышку (или другой стационарный объект) и необорудованный берег.

В п. 1.5 рассмотрены устройства для передачи грузов бесконтактным траверзным способом.

Во второй главе дан анализ усилий в канатах подвесной дороги при передаче грузов в морских условиях.

В п. 2.1 отмечено, что статический расчет является проектным, устанавливающим взаимосвязь между задаваемыми и искомыми параметрами грузопередающих устройств. Представлена методика статического расчета обобщенной 3-канатной ПКД, позволяющая определить усилия в канатах других схем подвесных дорог.

В п. 2.2 получены уравнения, позволяющие рассчитать траекторию движения груза по режимам 2 и 3, обеспечивающим подход и отход грузовой тележки с грузом передающему или принимающему судну. Приведены графики зависимости стрелы провисания ПКД в зависимости от эксплуатационных параметров.

В п. 2.3 представлена методика определения суммарных относительных перемещений точек подвеса канатной дороги в условиях качки судов на морском волнении.

В п. 2.4 рассматриваются общие положения и обосновывается расчетная схема грузопередающего устройства, представленная как механическая система, состоящая из натяжного устройства, следящеприводной лебедки и грузовой тележки. На основе принятой схемы грузопередающего устройства составлена система дифференциальных уравнений (математическая модель), описывающая динамические процессы в канатной системе подвесных дорог различного исполнения.

В п. 2.5 исследована возможность возникновения параметрических колебаний и их влияние на динамику грузопередающего устройства.

В третьей главе приводится разработанная математическая модель движения судна при траверзном способе передачи грузов в море.

В п. 3.1 рассмотрены различные математические модели движения судна, дана оценка их достоинств и недостатков.

В п. 3.2 рассмотрены инерционные и неинерционные силы и моменты, действующие на корпус судна.

В п. 3.3 дан анализ сил, действующих на рулевое устройство судна. Приведены расчетные схемы для рулей различных типов и поворотных насадок.

В п. 3.4 рассматриваются гидрометеорологические факторы (ветер и волнение), влияющие на управляемость судна.

В п. 3.5 произведен анализ сил гидродинамического взаимодействия между судами. Показаны зависимости сил и моментов от размеров судов, расстояния между судами, их скорости и углов дрейфа.

В п. 3.6 рассмотрены дополнительные сил и моменты от действия канатной дороги, влияние ее расположения на угол дрейфа и угол перекладки руля.

В п. 3.7 приведена обобщенная математическая модель движения судна с учетом всех вышеперечисленных факторов. Даны формулы расчета коэффициентов.

В четвертой главе рассмотрены вопросы управления судном при траверзном способе передачи грузов в море.

В п 4.1. рассмотрено управление судном при подходе. Произведен расчет углов дрейфа и углов перекладки руля для двух судов в зависимости от продольного расстояния, бокового расстояния, скорости.

В п 4.2. рассмотрено управление судном при передаче груза. Рассчитаны углы дрейфа и требуемые углы перекладки руля для двух судов в зависимости от продольного расстояния, бокового расстояния, массы передаваемого груза, волнения.

Дана оценка взаимодействия между судами с учетом как сил гидродинамического притяжения, так и сил со стороны канатной дороги. Выполнено исследование по оптимизации расстояния между судами идущими параллельными курсами и «связанными» канатной дорогой.

В п. 4.3 рассмотрено управление судном при окончании операции передачи груза и расхождении.

В п. 4.4 приведены рекомендации по управлению судном при параллельном движении на малых траверзных расстояниях.

В п. 4.5 представлены результаты анализа экспериментальных данных. В п. 4.6 дана оценка остойчивости крупнотоннажных судов при передаче грузов с помощью подвесных канатных дорог;

В п. 4.7 представлены элементы автоматизированной системы управления судном по поперечному смещению при передаче грузов траверзным способом с учетом приема сигнала спутниковых навигационных средств.

I. АНАЛИЗ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ ПЕРЕДАЧИ ГРУЗОВ В МОРЕ.

1.1. Общие положения.

Все судовые грузовые устройства со следящим приводом, несмотря на многообразие их схем, имеют единую структурную схему, представленную на рис. 1.1. Отличительным признаком всех таких устройств является наличие механизма слежения, называемого иногда следященатяжным устройством, обеспечивающим постоянство скорости движения передаваемого груза в процессе качки судов относительно места его приема или выдачи. Грузовое устройство, лишенное механизма слежения, превращается в обычное стационарное, которое используется в наземных условиях, а также на судах в условиях тихой воды.

Механизм передвижения груза представляет собой подъемный механизм в кранах или тяговый механизм (перемещения грузовой тележки) — в канатных дорогах. Механическая связь соединяет механизм слежения с механизмом передвижения груза, сообщая последнему дополнительную скорость, источником которой являются натяжное устройство и связь с обслуживаемым судном.

Дополнительная скорость, складываясь со скоростью, развиваемой механизмом передвижения, обеспечивает постоянство скорости движения груза относительно колеблющегося в пространства места его выдачи или приема. Обычно, по конструктивным соображениям, механическая связь и механизм передвижения груза располагаются в едином блоке, образуя так называемое следящеприводное устройство (следящеприводную лебедку). В качестве связи с обслуживаемым судном обычно используется канат, один конец которого закрепляется на этом судне, а другой связан, тем или иным образом с механизмом слежения. Данный канат одновременно выполняет функции несущего или направляющего органа.

Рис. 1.1. Структурная схема грузового устройства со следящим приводом.

Натяжные устройства выполняются в виде электро-, гидро-, или пневмопривода, а также в виде грузового противовеса, в состав прочих входят те механизмы, которые присущи всем грузовым устройствам обычного назначения, например, механизмы поворота и изменения вылета стрелы крана, механизм подъема груза канатной дороги и т. п.

В структурном смысле краны отличаются от канатных дорог более простой канатной системой. Можно считать, (и это показано на рис 1.2), что трехканатная судовая дорога по своей структуре представляет собой общий случай судового грузового устройства со следящим приводом, а все другие подобные устройства, например краны, являются ее частными случаями. Из рис. 1.2 видно, что схема б) отличается от схемы а) только отсутствием каната 2.

Такое единое структурное представление грузовых устройств со следящим приводом позволяет в дальнейшем применять одни и те же методы к их теоретическому исследованию и проектированию, а также наметить общие требования, предъявляемые к устройствам к следящеприводной лебедке.

Рис 1.2. Канатная система: а) трехканатной дороги б) крана.

Рис. 1.3. Устройство нагружения тяговых канатов в целом и их основные элементы.

4.8 Выводы по главе.

С точки зрения управления судном процесс передачи груза траверзным способом разбивается на несколько этапов: выход на позицию, удержание позициипередача грузов, отход.

Из рассмотренных способов выхода на позицию наиболее предпочтительными являются способы подхода с острых кормовых углов.

Произведен расчет требуемых углов перекладки руля и углов дрейфа для выхода на позицию судов с различными водоизмещениями.

При передаче груза суда сохраняют свои относительные позиции, появляется дополнительная сила натяжения канатов.

На основе математической модели произведены расчеты зависимости угла дрейфа и угла перекладки руля от массы передаваемого груза, от точки крепления ПКД, от расстояния между ДП судов, от скорости движения судов и их рыскания и от действия волнения.

При отходе по окончании операции передачи необходимо учитывать гидродинамические силы и моменты в зависимости от продольного расстояния и от инерционных характеристик судов.

Разработаны рекомендации по управлению судном для капитанов при параллельном движении судов на малых траверзных расстояниях (ситуация обгона или передачи груза траверзным способом).

Результаты эксперимента показали, что прелагаемая модель является удовлетворительной.

Рассмотрен вопрос влияния грузопередачи на остойчивость судна.

Предложена автоматическая система удержания судов на параллельных траекториях движения на основе получения информации через спутниковую систему, что является более точным и надежным по сравнению с механической связью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации получены следующие результаты:

1. На базе анализа способов и устройств передачи грузов в море разработана концепция дальнейшего совершенствования траверзного способа как наиболее перспективного, использование которого исключает швартовные операции, позволяет выполнять передачу грузов, а в необходимых случаях и людей, на ходу судна в условиях повышенного волнения моря.

2. Усовершенствована схема подвесной канатной дороги, отличающаяся от известных отсутствием несущего и введением спуско-подъемного канатов, что упрощает конструкцию канатной дороги и повышает ее надежность. Выполнен статический расчет усилий во всех канатах ПКД.

3. На базе уравнений Лагранжа второго рода составлены дифференциальные уравнения, позволяющие описать динамические процессы во всех элементах ПКД.

4. Разработана методика определения управляющих воздействий на судно при грузопередаче с учетом месторасположения точки крепления ПКД, траверзного расстояния, скорости и относительного положения судов, массы передаваемого груза в условиях повышенного волнения моря. Применение этой методики повышает точность, оперативность и обоснованность выработки управляющих воздействий на судно при грузопередаче.

5. На основе анализа существующих математических моделей разработана новая математическая модель зависимости угла дрейфа и требуемого угла перекладки руля с учетом дополнительной силы воздействия подвесной канатной дороги, что обеспечивает более полный учет силовых факторов воздействия на судно.

6. Разработаны алгоритмы и математические модели управления судном при подходе, передаче грузов и отходе.

7. Произведена оценка остойчивости крупнотоннажных судов под действием поперечной составляющей натяжения ПКД: выведена линейная зависимость угла крена от высоты точки крепления ПКДнайдены значения углов крена, с помощью диаграмм динамической остойчивости, что обеспечивает повышение безопасности грузопередачи.

8. Предложена усовершенствованная автоматизированная система удержания судов на эквидистантных траекториях движения с использованием современных спутниковых навигационных систем.

9. Разработано программное обеспечение решения задач управления судами при траверзном способе передачи грузов в море.