Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Причинно-следственный анализ аварийности морского флота и аналитические подходы к исследованию проблемы обеспечения технологической безопасности судов, перевозящих смещающиеся грузы 13
1.1. Статистический анализ аварий на морском транспорте при перевозке смещающихся грузов 13
1.2. Анализ причинно-следственных связей, повлёкших за собой аварии со смещением груза 24
1.3. Современные аналитические методы и подходы к исследованию проблемы обеспечения технологической безопасности судов, перевозящих смещающиеся грузы 34 Выводы по первой главе 65
Глава 2. Адаптация моделей теории катастроф для исследования остойчивости судов при смещении грузов 68
2.1. Теория прогнозирования безопасности динамических систем методами теории катастроф 68
2.2. Применение теории катастроф для классификации сценариев потери остойчивости судна при смещении груза 75
2.3. Математическая модель системы «груз – неподвижный модуль» и анализ ее поведения с использованием теории катастроф 85
2.4. Общеметодологические подходы к оценке риска обеспечения технологической безопасности морских судов 96 Выводы по второй главе 98
Глава 3. Методологические основы моделирования смещаемости грузов на транспорте 100
3.1. Основы моделирования подвижности смещающихся грузов 103
3.2. Расчетные модели движения технических систем, близких к состоянию абсолютно твердого тела 106
3.3. Расчетная модель смещающихся грузов с дискретной распорной структурой 110
3.4. Расчетная модель смещающихся грузов с дискретной безраспорной структурой 113
3.5. Классификация средств и способов регулирования смещае-мости грузов. Расчетные модели пневморегуляторов 117 Выводы по третьей главе 126
Глава 4. Теоретические основы регулирования смещаемости грузов по новым технологиям 128
4.1. Методология исследования динамики системы: транспортное средство – регулятор – транспортное средство 128
4.2. Разработка математических моделей регулирования технических систем близких к состоянию абсолютно твердого тела 135
4.3. Разработка математических моделей регулирования смещае-мости груза с дискретной распорной структурой 145
4.4. Разработка математических моделей регулирования смещае-мости груза с дискретной безраспорной структурой 148
4.5. Численная реализация аналитической модели системы «смещающийся груз – регулятор - транспортное средство» 152
4.6. Организационная структура автоматизированной системы «Шторм» 110
4.6.1. Систематизация процесса анализа информации и разработка баз данных для автоматизированной системы «Шторм» 162
4.6.2. Алгоритм для определения склонности груза к смещению и опрокидыванию 170
4.6.3. Автоматизация процесса проектирования новых технологий крепления грузов 174 Выводы по четвертой главе 184
Глава 5. Методологические основы экспериментальных исследований функционирования компенсационных пневморегуляторов 186
5.1. Математическая теория планирования эксперимента 187
5.2. Регулирование смещаемости труб большого диаметра 196
5.2.1. Однофакторный рандомизированный эксперимент для штабеля труб 199
5.2.2. Двухфакторный рандомизированный эксперимент для штабеля труб 209
5.3. Двухфакторный рандомизированный эксперимент по изучению условий регулирования смещаемости сыпучих грузов 216
5.4. Однофакторный рандомизированный эксперимент по изучению условий регулирование смещаемости колесной техники.. 224 Выводы по пятой главе 231
Глава 6. Разработка новых технологий регулирования смещаемости грузов 234
6.1. Принципы регулирования смещаемости грузов по новым технологиям 234
6.2. Новые технологии и средства регулирования смещаемости сыпучих грузов 237
6.3. Новые технологии и средства регулирования смещаемости колесной техники 243
6.4. Новые технологии и средства регулирования смещаемости штабеля труб большого диаметра 247
Выводы по шестой главе 260
Основные выводы и заключение
- Анализ причинно-следственных связей, повлёкших за собой аварии со смещением груза
- Применение теории катастроф для классификации сценариев потери остойчивости судна при смещении груза
- Расчетные модели движения технических систем, близких к состоянию абсолютно твердого тела
- Разработка математических моделей регулирования технических систем близких к состоянию абсолютно твердого тела
Анализ причинно-следственных связей, повлёкших за собой аварии со смещением груза
Следует отметить, что транспорт, осуществляющий связь изготовителя и потребителей продукции, должен обеспечить своевременную и качественную перевозку грузов. Решение этих важных для морского транспорта задач в немалой степени зависит от изучения вопросов, связанных с разработкой мер по обеспечению сохранности груза, снижению потерь при перевозках, проблемой выбора оптимальной технологий крепления груза и расчета технологических параметров средств и способов его крепления на морских судах. Причин несохранной перевозки грузов множество. Среди них особую опасность для судна и груза представляют причины, связанные со смещением грузов во время транспортировки. Согласно имеющейся информации и статистическим данным в мире ежегодно из-за смещения грузов гибнет около 3-5% крупных судов, а из-за механических повреждений грузов ежегодные убытки во многих странах составляют многомиллиардные суммы. Анализ процесса доставки груза получателю, выполненный отечественными и зарубежными специалистами [11, 22, 65, 77, 154], показал на невозможность контроля качества закрепления грузов, существующими средствами, что часто приводит к повреждениям грузов и авариям судов.
В связи с этим сейчас актуальными являются исследования, связанные с разработкой новых средств и способов регулирования процесса смещения груза на транспортном модуле, в основе которых лежат аналитические методы расчета технологических параметров и автоматизированный выбор в судовых условиях оптимальных технологий крепления грузов [14]. Однако, как оказалось, сегодня для обоснования возможности решения этой задачи нет единой теоретической базы для проведения комплексного исследования и моделирования процессов регулирования смещения различных по своей физической природе грузов. Научные исследования этой проблемы велись в нескольких направлениях, при этом выделялась и исследовалась какая-то конкретная группа: тарно-штучные грузы, генеральные грузы, сыпучие грузы, лесные грузы, трубы большого диаметра, колесная техника. Поэтому нами предлагается новый методологический подход к разработке инструментария для диагностики и автоматического регулирования технического состояния закрепленного груза во время рейса, а также выработке аналитических методов расчета технологических параметров для вновь разрабатываемых технологий крепления грузов на морских судах.
На вербальном уровне обоснование предлагаемого подхода состоит в следующем. Рассматриваемые на практике реальные технические системы представляют собой системы жестких тел, связанных между собой элементами, допускающими некоторое перемещение тел относительно друг друга, т. е. системы с конечным числом степеней свободы. Такие системы полностью определяются заданием координат конечного числа тел, составляющих систему. Исследуемые тела связаны между собой упругими элементами, по 36
этому каждая рассматриваемая система может считаться упругой системой с конечным числом степеней свободы. Такой подход к построению расчетных моделей всех видов грузов позволит формализовать процесс моделирования, т. е. сделать его, не зависящими от физического содержания задачи, а также сократить до минимума расчетные операции и изучить топологическую структуру системы.
Например, к такой расчетной схеме можно свести исследование движения практически всех известных типов колесной техники. Исследуемая система представляется в виде жестких тел с массами M1, известными жесткостями упругих элементов Kij и коэффициентами вязкого трения амортизаторов Bij. Такой подход к разработке расчетных схем случайных колебаний автомобиля в продольной плоскости был использован в следующей литературе [19, 27, 33, 37, 45, 129].
Для обоснования возможности использования такого единого подхода к моделированию рассмотрим методики построения расчетных схем для различных видов смещающихся грузов, которые были использованы в ряде научных работ в процессе построения математических моделей.
Рассмотрим методику построения расчетных схем крепления автомобиля на палубе судна (рис. 1.19), которую предложили в своей работе А. Д. Москаленко, А. С. Шпак, Б. С. Максимов, при разработке новой технологии крепления автомобиля с помощью опорных гнезд [103].
Рис. 1.19. Структурная схема двухмассовой упругой системы При использовании классической схемы крепления, колеса крепят тормозными башмаками, которые переводят трение качения колес в трение скольжения. Закрепление кузова колесного транспортного средства к опорной поверхности обычно производится гибкими связями, например, найтовами. За счет вертикальной составляющей натяжения NQ каждого найтова рессоры сжимаются на величину AV, а их жесткость К1 увеличивается на величину AK1j = NQ KAV. При этом происходит увеличение давления в колесах на величину АР с соответствующим увеличением их жесткости Kj на величину ACj . В результате, до тех пор, пока сила натяжения найтовов сохраняет свою первоначальную величину, колебания кузова относительно колес будут происходить с меньшей амплитудой (по сравнению с положением автомобиля до закрепления).
Кроме того, за счет силы натяжения найтовов создается дополнительная (к силе тяжести) вертикальная составляющая силы контактного давления колесного транспортного средства на опорную поверхность (палубу). Эта сила, в свою очередь, увеличивает силу F/ трения скольжения на величину AF = fNQ, которая дополнительно противодействует смещению автомобиля.
Дискретные модели смещающихся грузов типа зерновых приведены в работах [24, 30, 57, 62, 64, 140, 149]. Во многих работах процессы смещения сыпучего или тарно-штучного груза моделируются с помощью модели «поверхностной частицы» [35, 183, 186], «сползающего клина» [22, 38, 69] или «тяжелого стержня» [127, 163], т. е. как дискретная среда.
В дальнейшем результаты этих работ обобщил А. Д. Москаленко. На основании результатов этого анализа им были предложены авторские расчетные модели смещающихся грузов. В основе их построения лежат следующие допущения. Сыпучие грузы занимают промежуточное положение между твердыми и жидкими грузами. Они имеют ограниченную подвижность частиц и сохраняют свою форму, если частицы находятся под определенным углом к друг другу. Сыпучие грузы можно представить как дискретные среды, состоящие из совокупности одинаковых, не связанных между собой, дисков, малых по сравнению с объемом всего груза. Выделяют для рассмотрения группы частиц по три в каждой, с помощью которых полностью описывают движение сыпучих грузов. Такой выбор модели позволяет при минимальном объеме учесть пористость, ориентацию частиц и структурные изменения среды по глубине засыпки.
Степень устойчивости частиц в группах против смещения характеризуется величиной угла между вектором силы тяжести G центральной (верхней) частицы и направлением контактного давления реакции R со стороны боковых частиц (рис. 1.20). Возможны три случая. Когда 0, здесь при малейшем отклонении опорной поверхности, на которой расположен груз, от горизонтального положения, происходит смещения груза, т. к. разрушается структурная модель. Второй случай, когда /2, здесь смещение частиц может произойти, если угол наклона опорной поверхности превысит величину /2 и произойдет разрушение структурной модели. Третий случай, когда 0 /2, разрушение может произойти, как только угол наклона опорной поверхности превысит .
Применение теории катастроф для классификации сценариев потери остойчивости судна при смещении груза
После разделения переменных и интегрирования этого уравнения, получим OR — UK . Следуя методу Лагранжа, считаем, что с - некоторая непрерывно дифференцируемая функция от переменной. Пусть в нашем случае с = f (R), тогда после преобразований получим:
Как видим, давление воздуха в емкости, обеспечивающее перемещение выше лежащих слоев груза, зависит от соотношения R\/Ro. И если величина R\ считается известной, то зазор между верхним и нижним полотнищами Ro оказывается неопределенным. В то же время, если между верхним и нижним полотнищами нет зазора Ro 0, то давление, которое необходимо создать в емкости для подъема выше лежащего слоя груза, должно быть Ro . Размеры минимального зазора при изготовлении емкости задают, исходя из рациональной или возможной на практике величины давления внешнего источника сжатого воздуха.
Регулировать смещение автомобиля на транспортном модуле необходимо не только в вертикальной но и горизонтальной плоскости, так как механические воздействия на колесную транспортную технику при перевозке морем оказывают существенное влияние на их нормальное функционирование после доставки грузополучателю. Перегрузки, вызванные качкой и вибрацией, приводят обычно к возникновению деформации кузова или к разрушению деталей и узлов ходовой части транспортируемой техники. Возможно также и накапливание последствий механических воздействий, в результате чего значительно сокращается время безотказной работы автомобиля.
Для уменьшения отрицательных последствий внешних сил, действующих на перевозимый груз, на практике применяются различные динамические гасители колебаний. Динамические гасители колебаний являются одним из наиболее эффективных пассивных виброзащитных средств. Этим объясняется большой интерес к данным системам [7, 12, 46, 160]. Динамический виброгаситель (регулятор) в простейшем исполнении представляет собой массу на пружине, с помощью которой он крепится к объекту защиты. Теория нерегулируемых динамических виброгасителей разработана достаточно полно. В качестве динамической модели при их исследовании используют обычно модель, представленную на рис 1.27 [7, 74, 164]. В приведенной динамической модели массы считаются сосредоточенными, а усилия, возникающие при деформации упругой связи, подчиняются закону Гука. Подобные виброгасители (регуляторы) называются линейными и имеют наиболее простую конструкцию.
Расчётная схема объекта с динамическим гасителем колебаний На рисунке обозначено: М\ - масса объекта; М2 - масса виброгасителя; К\ -жесткость упругой связи между объектом и основанием; К2 - жесткость упругой связи виброгасителя с объектом; С\, С2 - коэффициенты вязкого трения в упругих элементах; х\, х2 - координаты объекта и виброгасителя, отсчитываемые от положения их статического равновесия; Н - амплитуда силового возбуждения; со - частота возбуждения. Уравнения движения такой модели могут быть представлены следующей системой дифференциальных уравнений:
В системе уравнений (1.2.4) под h{t) понимается силовое возбуждение; если возбуждение изменяется во времени по синусоидальному закону, то h(t) = Hsin{cot + ср). Для случая кинематического возбуждения система уравнений движения записывается аналогично:
При анализе системы с нерегулируемым динамическим виброгасителем для получения достаточно простых выражений амплитудно-частотных характеристик пренебрегают обычно величиной диссипативных сил в упругом элементе объекта или в обоих упругих элементах. Для первого случая выражение амплитудно-частотных характеристик имеет вид:
Можно получить значения относительных амплитуд для построения амплитудно-частотных характеристик. Несмотря на то, что реальные объекты являются сложными колебательными системами, рассмотренная динамическая модель позволяет с достаточной для практических целей точностью судить об их динамических свойствах. В работе [12] показана возможность использования такой модели для некоторых систем с распределенными параметрами.
Выбор методов исследования зависит от свойств смещающегося груза, характера возмущающих воздействий, требований, предъявляемых к регуляторам, необходимой точности результатов. К решению задачи в линейной постановке, когда влиянием нелинейности можно пренебречь, а возмущающие воздействия – детерминированные функции времени, можно применить хорошо разработанные методы линейной теории колебаний [49, 74, 160, 164]. В этом случае массы считаются неизменными и сосредоточенными, а параметры жесткости и демпфирования - линейными. Такой подход позволяет получать результаты в удобной для анализа форме, поэтому он широко применяется для решения большого круга задач.
Так же для исследования колебательных процессов в динамических системах используют структурный метод [49, 50]. Представление исследуемой системы в виде структурной схемы дает возможность использовать для ее анализа и синтеза методы теории автоматического управления. Особенное значение такой подход имеет при проектировании активных регуляторов, так как он позволяет применить математический аппарат теории автоматического управления для синтеза цепей активных связей из условий заданных показателей качества и требований, предъявляемых к регуляторам [39, 125, 142, 155].
Расчетные модели движения технических систем, близких к состоянию абсолютно твердого тела
Для классификации опасных ситуаций и их моделирования можно использовать метод, основанный на прикладной теории катастроф [185], который позволяет изобразить графически множество опасных ситуаций и сценариев их возникновения. Для описания состояния системы «судно-груз», (СГ-система) в качестве модели исследования рассмотрим катастрофу сборки. Под катастрофой здесь, в соответствии с теорией понимается внезапное изменение состояния системы при малом изменении ее управляющих параметров [20, 182, 184, 185]. Такое изменение состояния системы возможно лишь тогда, когда она находится в точке неустойчивого равновесия. Состояние устойчивого и неустойчивого равновесия СГ-системы можно описать с помощью потенциальной функции.
Введем в качестве характеристики СГ-системы наклонения судна, возникающие из-за смещения груза [119, 120]. При этом вследствие действия кренящего момента судно будет уходить из положения равновесия, и для приведения его в первоначальное состояние необходимо создать восстанавливающий момент, образующийся силой плавучести (поддержания) и силой тяжести (веса).
Для нахождения зависимостей скоростей изменения крена судна и восстанавливающего момента (динамических переменных) от самих этих величин рассмотрим расчетную схему (рис. 2.2). Если задать наклонения #г судна как переменную относительно предполагаемой постоянной величины вт, а состояние остойчивости положением его метацентра - величиной ZM относительно центра тяжести - ZQ, то получим две аналитические зависимости безразмерных параметров:
Известно, что в общем случае для удержания судна от опрокидывания необходимо управлять взаимным положением сил веса и сил поддержания при наклонениях судна. Следует отметить, что в соответствии с принципом минимума потенциальной энергии СГ-система всегда будет стремиться к состоянию устойчивого равновесия, которое обуславливает возникновение опасной эксплуатационной ситуации, когда система достигает наибольшего кренящего момента, который судно может выдерживать не опрокидываясь.
Довольно сложное поведение потенциальной функции можно геометрически представить в виде многообразия катастрофы сборки M (рис. 2.3) или поверхности равновесия C в пространстве xXrj. Это множество точек (x, X, rj) удовлетворяющих уравнению (2.5). Оно имеет вид поверхности со сборкой в точке P.
Геометрическая интерпретация положения равновесия СГ- системы. Для данной пары значений параметров {X, п) все положения равновесия определяются значениями корней уравнения (2.5).
Если состояние системы описывается точкой {X, п) є E, то она находится в устойчивом состоянии (рис. 2.1). Если (X, п) єI, то между двумя устойчивыми состояниями есть неустойчивое состояние. Если (X, п) ЕB1 или (X, п) ЕB2, то система находится в устойчивом и неустойчивом состоянии, и если (X, п) є P, то состояние системы устойчиво.
Выполненный анализ и геометрическое описание положений равновесия СГ-системы позволяют построить модель поведения судна в СГ-системе, рассмотрев положения равновесия с изменением (X, п).
Математическая модель - интерпретация. Пусть СГ-система описывается множеством параметров (x. X, п) и наклонения судна (рис. 2.2) интерпретируются как изменение параметров этой системы на некоторой траектории, расположенной на поверхности равновесия M (рис. 2.1) или на ее проекции в пространстве управления C (рис. 2.4). Е
Положение точки (X, rj) внутри бифуркационной кривой (область I) характеризует некоторый колебательный процесс удержания судна в остойчивом положении с помощью управления силой, обеспечивающей несмещаемость груза и компенсирующей воздействие внешнего возмущения. Причем если точка (X, rj) лежит на оси X, то эти колебания симметричны относительно оси наклонения (рис. 2.3), и положение судна можно считать безопасным при условии, что кренящий момент не достигает своего максимального значения. Приближение точек (X, rj) к бифуркационным кривым вызывает изменение характера колебаний -увеличивается угол наклона корпуса судна от оси наклонения в одну сторону и соответственно уменьшается в другую.
Разработка математических моделей регулирования технических систем близких к состоянию абсолютно твердого тела
Подводя итоги классификации пневморегуляторов для крепления грузов, можно сделать вывод, что наиболее универсальными являются распорные ПКГ, которые могут быть, использованы и как прижимные, и как упорные устройства. Выполненная классификация устройств для крепления грузов позволяет систематизировать данные об их конструкциях, принципах их силового воздействия на закрепляемый груз и прогнозировать новые группы ПКГ, дополняя предложенную классификацию (рис. 3.8) новыми разработками.
Также следует отметить, что выполненный обзор пневморегуляторов для крепления смещающихся грузов показал, что, не смотря на их разнообразие, многочисленность вариантов укладки, крепления и сепарации грузов на транспортном модуле, возможность их объединения в две группы: пассивные и активные, и таким образом свести моделирование к трем расчетным схемам (рис. 3.16). На рис. 3.16, а показана расчетная схема регуляторов, относящихся к пассивной группе, когда для очень прочных грузовых единиц (или тары) крепления можно считать жесткой опорой. Здесь полностью исключается перемещение груза за счет введением жестких связей между грузом и контуром транспортного модуля. Функции жестких связей выполняют пневморегуляторы, работающие по принципу пружины, если внутри них создать избыточное давление несколько большей величины, возникающих при наклонении транспортного модуля, внешних нагрузок [146, 168].
Для хрупких грузов, транспортируемых в легкодеформируемой таре, крепление должно быть податливым. В этом случае можно воспользоваться расчетной схемой, изображенной на рис. 3.16, б и в. Эту схему можно реализовать, если известны упругие свойства податливых (гибких) связей между грузом и стенками транспортного модуля или контактными поверхностями других смежных грузов. В качестве податливых связей могут быть использованы пневморегуляторы активной группы, которые, в отличие от пневморегуляторов пассивной группы, при деформации гасят энергию не только за счет растягивания процесса взаимодействия во времени, но и за счет распределения давления внешней нагрузки на большую площадь регулятора. Принцип гашения энергии и регулирования жесткости 124 крепления может быть реализован за счет растяжимости материала (пневморегу лятор работает по принципу амортизатора, рис. 3.16, б), либо пневморегулятор дополнен элементами механического демпфирования (пневморегулятор работает по принципу пружины и амортизатора, рис. 3.16, в).
В зависимости от вида смещающегося груза в каждой расчетной схеме конкретизируется тип регулятора, выбирается соответствующая расчетная схема последнего и включается как составной блок (подсистема В) в теоретические модели смещающихся грузов (подсистема А). Полученная в итоге расчетная модель двухсвязной механической системы «смещающийся груз – спецустройство» позволит в дальнейшем при разработке новых технологий крепления грузов выбирать пневморегулятор с наилучшими техническими характеристиками и определить оптимальные параметры управления процесса регулирования смещения.
Выводы по третьей главе
Подводя итоги изложенным выше соображениям по вопросу моделирования процессов смещения грузов, следует отметить следующее.
1. Приведенные локальные модели, представленные в виде расчетных схем технических систем с сосредоточенными параметрами, позволяют смоделировать различные задачи, связанные с исследованием динамики, выбора оптимальных параметров управления.
2. Все разработанные локальные модели вписываются в единую глобальную дискретную модель всех смещающихся грузов. Составными элементами, которой являются жесткие тела, связанные между собой упругими и диссипативными элементами, допускающими некоторое перемещение тел относительно друг друга.
3. Предложенные теоретические модели смещающихся грузов позволяют переходить к аналитическим моделям, представляющим собой системы дифференциальных уравнений, описывающих функционирование технических систем, с использованием при таком переходе единого математического аппарата – теории графов.
4. При выборе расчетной схемы для математического моделирования была выполнена некоторая идеализация свойств технической системы, исходя из соображений максимальной простоты с условием, что интересующая информация не теряется.
5. На основе проведенного анализа средств и способов регулирования смещающихся грузов с помощью регуляторов, основным конструктивным элементом которых являются пневмооболочки, были разработаны их типовые расчетные модели, которые можно включать как составной блок (подсистему В) в предлагаемые теоретические модели смещающихся грузов. Это позволит в дальнейшем при разработке новых технологий выбирать пневморегулятор с наилучшими техническими характеристиками для конкретного вида груза.
6. Выполненные в главе исследования, позволили разработать единую методику построения теоретических моделей, описывающих процессы смещения для любых систем (смещающихся грузов) при произвольных внешних воздействиях.
7. Материалы этой главы будут использоваться в четвертой главе для построения математических моделей технических систем «смещающийся груз – спецустройство».
