Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующих судовых грузопередающих устройств и условия их работы 15
1.1 Условия работы судовых грузопередающих устройств 15
1.2 Классификация судовых грузопередающих устройств 20
1.3 Устройства для передачи грузов контактным способом 21
1.4 Устройства для передачи грузов бесконтактным кильватерным способом 29
1.5 Устройства для передачи грузов траверзным способом 33
1.6 Перспективы развития судовых грузопередающих устройств 38
1.7 Выводы по главе 41
ГЛАВА 2. Синтез кинематических параметров следященатяжного устройства судовой канатной дороги 44
2.1 Описание и принцип действия канатной дороги со следященатяжным устройством 44
2.2 Исследование кинематики механизма горизонтального слежения перемещения груза 47
2.3 Исследование кинематики механизма вертикального слежения перемещения груза 58
2.4 Выводы по главе 60
ГЛАВА 3. Статический анализ судовой канатной дороги 61
3.1 Общие положения 61
3.2 Натяжения в канатах 61
3.3 Траектория движения грузовой тележки 66
3.4 Тяговые усилия в канатах по режимам слежения 75
3.5 Суммарные относительные перемещения точек подвеса канатной дороги 79
3.6 Выводы по главе 86
ГЛАВА 4. Динамика судовой канатной дороги с адаптивным следященатяжным устройством 87
4.1 Общие положения 87
4.2 Дифференциальные уравнения движения грузовой тележки 87
4.3 Дифференциальные уравнения движения механизмов следященатяжнои лебедки 96
4.4 Дифференциальные уравнения движения механизмов натяжного устройства 98
4.5 Параметрические колебания в судовой подвесной канатной дороге 103
4.6 Выводы по главе 106
ГЛАВА 5. Оценка остойчивости и управляемости судов при траверзном способе передачи грузов в море 107
5.1 Оценка статической остойчивости судов, связанных межсудовой канатной дорогой 107
5.2 О силах гидродинамического взаимодействия и оптимальном расстоянии между судами 111
5.3 Автоматическая система управления судами при траверзном способе передачи грузов 116
5.4 О возможности использования траверзного способа передачи грузов для неподвижных судов 120
5.5 Выводы по главе 123
Заключение 125
Использованная литература
- Классификация судовых грузопередающих устройств
- Исследование кинематики механизма горизонтального слежения перемещения груза
- Тяговые усилия в канатах по режимам слежения
- Дифференциальные уравнения движения механизмов следященатяжнои лебедки
Классификация судовых грузопередающих устройств
В настоящее время все грузопередающие операции на морском флоте осуществляются двумя способами: контактным и бесконтактным. При контактном способе судно и сдающий объект (другое судно, стационарная буровая установка, любые объекты, требующие обслуживания), должны быть пришвартованы друг к другу. В этом случае передача грузов (людей) осуществляется с помощью судовых грузовых стрел или кранов. Недостатком такого способа является, во-первых, то, что краны могут использоваться только при тихой погоде, а грузовые стрелы ограничены в применении балльностью волнения моря (до четырех баллов включительно) и, во-вторых, даже при таком волнении не исключены навалы ошвартованных судов друг на друга, не говоря уже о трудностях, связанных со швартовкой самих судов.
Устройства для передачи грузов контактным способом по признаку компенсации взаимных перемещений судов подразделяются на обычные устройства с применением грузовых стрел и устройства со следящими канатами-проводниками. Канаты-проводники выполняют функцию синхронизации перемещения груза с перемещением палубы принимающего судна.
При бесконтактном способе суда (или судно-объект) находятся на определенном расстоянии друг от друга. Передача груза может производиться как на ходу судов, так и в состоянии покоя. В зависимости от расположения судов друг относительно друга, бесконтактный способ подразделяется на два: кильватерный и траверзный способы, которые обеспечиваются, в основном, специальными грузопередающими устройствами, называемыми судовыми Щ подвесными канатными дорогами (ПКД). С помощью ПКД решаются вопросы передачи сухих, жидких грузов, а в некоторых случаях и людей. Устройства для передачи грузов и пересадки людей
К основным грузопередающим устройствам судов при контактном способе передачи относятся грузовые стрелы и краны.
Грузовые стрелы являются устройствами, с помощью которых грузовые операции выполняются за счет системы блоков и тросов, закрепленных вне стрел (на мачтах, колоннах, полубаках и лебедках). Грузовые стрелы широко используют в морском флоте, благодаря простоте их конструкции и надежности при работе на волнении.
При производстве работ грузовыми стрелами в зависимости от состояния моря и погоды, вылета грузовых стрел, размеров судов, участвующих в совместных грузовых операциях, рода упаковки груза, его веса и т.п. могут быть применены следующие схемы работы: - "на телефон" - нок забортной стрелы необходимого вылета устанавливают в вертикальной плоскости, проходящей через центр грузового люка перпендикулярно диаметральной плоскости судна (или с небольшим углом отклонения). Нок люковой стрелы устанавливают преимущественно над центром люка или над серединой его продольного комингса, противоположного борту, через который производится перегрузка.
Грузовые шкентели соединяют на один гак посредством треугольной соединительной планки. Ноки стрел соединены топриком. После установки стрелы надежно крепят контроттяжками по бортам. Люковой стрелой, при выгрузке, груз поднимают на высоту, достаточную для переноса его над комингсом люка. Одновременно лебедкой забортной стрелы подбирают слабину ее грузового шкентеля. За борт судна груз перемещается на грузовых шкентелях обеих стрел, пока он полностью не окажется на грузовом шкентеле забортной стрелы, после чего груз опускают (рис. 1.4).
Недостатками работы стрелами по схеме "на телефон" являются: ограниченный вылет стрелы за борт; худшие, чем при работе по схеме "в два, три, четыре шкентеля", условия проноса груза через фальшборт, что влечет увеличение угла расхождения шкентелей и приводит к возрастанию усилий в элементах грузовой стрелы.
Схема работы двумя грузовыми стрелами двух судов "в два шкентеля" - "в два шкентеля" - ноки люковых стрел обоих судов устанавливают над центром люков в вертикальной плоскости, перпендикулярной диаметральной плоскости судна (или с небольшим углом отклонения); грузовые шкентели соединяют на один гак посредством треугольной соединительной планки. Стрелы раскрепляют оттяжками (рис. 1.5).
Исследование кинематики механизма горизонтального слежения перемещения груза
Предлагаемое следященатяжное устройство разработано на базе изобретения 677989 (СССР) авторов Махорина Н.И., Бачище А.В., Кагина М.И. и др., опубликованного в Б.И. №29 в 1979 году. Отличительной особенностью усовершенствованного устройства является то, что в него дополнительно введен механизм вертикального слежения, обеспечивающий безударную посадку (съем) груза на палубу (платформу, трюм, любой другой объект) судна в условиях волнения моря.
На рис. 2.1 показана схема канатной дороги с механизмом привода подъема и опускания груза 12. Устройство, обеспечивающее работу канатной дороги, состоит из трех электродвигателей, четырех барабанов, трех дифференциальных редукторов и системы зубчатых колес. Электродвигатели 1 и 2 являются тяговыми и служат для перемещения грузовой тележки 13 от принимающего судна к передающему и обратно. Электродвигатель 3 является грузовым, он служит для подъема и опускания груза.
Представленное здесь устройство работает следующим образом. Режим I. Стоянка грузовой тележки 13 у мачты принимающего судна. Валы электродвигателей 1 и 3 заторможены, а вал электродвигателя 2 имеет возможность свободного вращения. Вместе с валом электродвигателей 1 и 3 заторможенными окажутся шестерни 26, 15, 25, 24, 35, 31, 21, 33, 34 и барабаны 5 и 6. Отработку качки судов будет осуществлять барабан 4, связанный с барабаном 7 натяжного устройства через шестерни 27, 29, 30, 32. В этом режиме блок 12 с грузом может подниматься или опускаться путем включения в работу электродвигателя 3, связанного с барабаном 6 посредством шестерен 36, 33,
Режим II. Отход (подход) грузовой тележки от мачты принимающего судна. Электродвигатель 1 включается на сматывание (наматывание) каната 10 с барабана 5. Вал электродвигателя 2 свободен, электродвигатель 3 заторможен. В этом режиме через шестерни 26, 15, 21, 20, 23, 22 и, учитывая синхронность вращения верхнего и среднего дифференциальных редукторов, барабаны 4, 5, 6 будут иметь синхронное вращение, только барабан 4 вращается на наматывание, а барабаны 5 и 6 - на сматывание. Отработка качки осуществляется также как и в режиме I.
Режим III. Подход (отход) грузовой тележки к передающему судну. Электродвигатель 1 отключен, его вал не заторможен. В работу включается электродвигатель 2, который через шестерни 16, 20, 23, 22 будет вращать барабан 4 на наматывание. Одновременно через шестерни 16, 21, 25, 30, 31,15 будет сообщено синхронное вращение барабану 5 на сматывание каната 10. Синхронность обеспечивается замкнутостью шестерен дифференциальных редукторов. В то же время барабан 6 через шестерни 16, 21, 25, 24, 35, 34 будет вращаться с необходимой скоростью на сматывание каната 11, Электродвигатель 3 заторможен. Отработка качки осуществляется одновременно и синхронно с барабанами 4 и 5, что обеспечивает равномерность подхода тележки к мачте передающего судна.
Режим IV. Стоянка грузовой тележки у мачты передающего судна. Вал электродвигателя 2 заторможен. Вместе с ним окажутся заторможенными шестерни 16 и 17. Вал электродвигателя 1 не заторможен. Отработка качки осуществляется следующим образом. Барабан 7, вращающийся в процессе качки судов в ту или иную стороны, через шестерню 32 воздействует на водило - шестерню 27, которая будет вращать весь корпус верхнего дифференциала вместе с шестернями 30 и 31 в одну и ту же сторону. і
Вследствие механической замкнутости среднего и верхнего дифференциалов, барабаны 4 и 5 получат при этом одинаковые вращения на сматывание или наматывание канатов 9 и 10. Подъем или опускание блока 12 с грузом осуществляется включением электродвигателя 3.
Действие устройства. Бросательный конец, закрепленный к блоку 14, подается на передающее судно. Затормаживаются электродвигатели 1 и 3, включается в работу электродвигатель 2, который будет вращать на сматывание каната 9 с барабана 4 (через зубчатые колеса 16, 17, 20, 23, 22). Подтягивая бросательный конец вместе с блоком 14, последний крепится на штатное место на передающем судне. Электродвигатель 2 выключается, но не затормаживается. Натяжное устройство (противовес) выводится в среднее положение, создавая тем самым необходимое натяжение канатов SCJI, воздействуя на канатные барабаны через соответствующие зубчатые колеса лебедки. При необходимости длину канатов можно подрегулировать с помощью электродвигателей 1 и 3 (оставляя электродвигатель 2 незаторможенным). В этом положении осуществляется режим I грузовой тележки. Движение тележки 13 к передающему судну происходят по режиму II (отход от принимающего судна) и режиму III (подход к передающему судну). Стоянка тележки у мачты передающего судна осуществляется по режиму IV. Обратное движение тележки к принимающему судну производится в обратной последовательности.
Тяговые усилия в канатах по режимам слежения
Натяжения в канатах Sj и »% способствуют притяжению судов, поэтому при определении минимального расстояния между судами, величины этих натяжений должны выбираться с учетом сил гидродинамического взаимодействия. Результаты исследования по этому вопросу представлены в главе 5. Суммарные относительные перемещения точек подвеса канатной дороги
При качке судов, связанных канатной дорогой, точки подвеса несущего каната будут непрерывно менять свое положение в пространстве, в результате чего расстояние между этими точками также будет непрерывно изменяться. Пределы регулирования длины несущего каната определяются амплитудой точек его подвеса.
Качка судов на волнении, как правило, имеет резко выраженный неправильный характер, причина которого кроется в нерегулярности волны. Поскольку процесс волнения моря можно отнести к категории случайных, то к расчету колебаний точек подвеса применяют спектральную теорию стационарных случайных функций. При этом рассматривается наиболее неблагоприятный случай для погрузочно-разгрузочных работ, когда оба судна стоят или движутся параллельными курсами лагом к волне.
Пусть мы имеем некоторую случайную функцию z(t). Тогда согласно теории вероятностей для нормального случайного процесса z можно записать [27]:
Нерегулярное волнение определяют двумя статистическими характеристиками: вероятность того, что высота волн находится в некотором заданном интервале W и обеспеченностью, под которой понимают вероятность появления высот, некоторое заданное значение. Дисперсии (3.47), (3.48), (3.44) позволяют рассчитать и построить кривые вероятностей превышения величин
Для нахождения Д, Di5 Ц, надо располагать величиной передаточной функции процесса z и значением спектральной плотности возмущаемого фактора.
Проводя корреляционный анализ большого числа волнограмм как полностью, так и не полностью развитого морского волнения, Н.Н. Рахманин предложил следующую зависимость для практического расчета спектральной плотности: ;(о)) = -0;а0— , и , (3.50) где Df =0.143 —"з% дисперсия волновых координат, h3% - высота волны с 3-процентной обеспеченностью а0 = 0.21 J30 ; Д, = - эмпирические постоянные, первая из которых характеризует степень нерегулярности волнения, а вторая — частоту, отвечающую максимуму спектра. тв - средний период видимых волн для данной балльности моря (Таблица №2)
Последовательность расчета суммарных амплитуд колебаний точек подвеса несущего каната будет следующей: 1. Определяем передаточные функции процессов Alo и АС , 2. Строим кривую спектральной плотности волнения по формуле (3.50). Путем подбора периода волны тв находим такой спектр волнения, максимум которого был бы расположен на той же частоте, что и максимум передаточной функции; 3. По формуле (3.51) строим кривые спектральной плотности этих процессов; 4. Определяем дисперсии процессов Ale и А путем планиметрирования кривых, полученных в п.З; 5. По формуле (3.53) определяем дисперсии процесса А1; 6. По формуле (3.46) строим кривые вероятностей превышения величины А1 иАС; 7. Определяем средние значения суммарных амплитуд, соответствующие 3 процентной обеспеченности: (х0)3%= 2.647Д
Задача об определении амплитуды совместных колебаний точек подвеса несущего каната лучше всего может быть реализована на ПЭВМ.
1. На основе ранее выполненных исследований Н.И. Махориным, А.В. Бачище и автора предложена методика статического расчета канатных дорог, учитывая конкретные условия работы следященатяжного устройства.
2. Общее усилие в канатной дороге можно рассчитывать по формулам (3.23), (3.36), где К - статический коэффициент, определяемый исходя из заданной стрелы, провисания дороги / и расстояния между судами /. Для /=30-5-60 м и/=3-т-5 м , коэффициент К=3-т-7.
3. Более точный расчет усилий в канатах для различных режимов работы с учетом К и угла /?, определяющего перепад высот точек подвеса канатной дороги необходимо выполнять по формулам (3.26), (3.27), (3.29), (3.31), (3.37), (3.38), (3.39), (3.44), (3.45).
4. Расчет траекторий движения грузовой тележки на режимах II и III необходимо рассчитывать по формулам (3.9) и (3.12) соответственно.
Дифференциальные уравнения движения механизмов следященатяжнои лебедки
В диссертационной работе дан анализ состояния грузопередающих устройств, обеспечивающих грузопередачу на суда (другие объекты) в открытом море, предложена усовершенствованная схема следященатяжного устройства для обеспечения безударной передачи грузов с помощью подвесных канатных дорог при повышенном волнении моря. Получены относительно простые зависимости, позволяющие производить статический расчет канатных дорог в зависимости от массы передаваемого груза, расстояния между судами и ф стрелы провисания канатной дороги. Выполнено кинематическое исследование движения всех элементов следященатяжного устройства при его работе в условиях качки судов.
На базе четырехканатной подвесной дороги составлена достаточно полная и универсальная математическая модель, позволяющая исследовать динамические явления в различных типах канатных дорог при необходимых режимах их работы. Универсальность математической модели позволяет создать и универсальную программу динамического расчета на ЭВМ. В диссертационной работе создана такая программа для судов поперечной качки судов, как наиболее неблагоприятной при проведении грузовых операций в условиях волнения моря. Щ Особое внимание уделено вопросам эксплуатации судов, участвующих в операции "прием-передача" грузов траверзным способом с помощью ПКД. Рассмотрены вопросы гидродинамического взаимодействия между судами, идущими параллельными курсами. Исследована возможность использования ПКД для подвижных судов при траверзном способе. Предложено решение по использованию штатных технических средств для автоматического управления судами, идущими параллельными курсами. Основные результаты. Щ В диссертации получены следующие результаты, определяющие научную новизну работы, ее практическую ценность и являющиеся предметом защиты:
1. Разработана концепция дальнейшего совершенствования судовых грузопередающих устройств, которая исходит из того, что для обеспечения максимально полезного эффекта грузопередачи в открытом море характеристики устройств должны отвечать требованиям, предъявляемым к условиям работы как грузопередающих устройств, так и судов в целом.
2. Разработана новая схема следященатяжного устройства с механизмом слежения вертикального перемещения груза, предназначенного для работы в условиях качки судов.
3. Разработана методика статического расчета ПК Д. На основании этой методики разработаны рекомендации по выбору натяжения в канатно-тросовой системе грузопередающего устройства.
4. Исследована кинематика элементов следященатяжного устройства. Приведенные в таблице 1 зависимости могут быть использованы при расчете и проектировании подобных устройств.
5. На базе уравнения Лагранжа получены универсальные дифференциальные уравнения, позволяющие описать динамические процессы во всех режимах работы ПКД.
6. Получены дифференциальные уравнения разработанного устройства с учетом горизонтального и вертикального слежения за перемещением передаваемого груза.
7. Составлены дифференциальные уравнения для некоторых видов натяжных устройств, дополняющие дифференциальные уравнения и уравнения следященатяжного устройства при описании динамических процессов в ПКД в целом.
8. Создана программа численного исследования усилий в канатах ПКД. Блочная структура программы позволяет легко вносить в нее изменения при использовании других следященатяжных и натяжных устройств. Программа реализована для наиболее неблагоприятного случая передачи грузов - случая бортовой качки при расположении судов лагом к волне.
9. Определено безопасное расстояние между судами, связанными канатной дорогой при траверзном способе передачи грузов.
10. Произведено численное исследование влияния эксплуатационных параметров на динамические процессы в ПКД при передаче грузов траверзным способом.
11. Дана оценка возникновения в ПКД параметрических колебаний. Предложены рекомендации по использованию их в целях уменьшения колебаний грузовой тележки с грузом при подходе (отходе) к мачтам соответствующих судов.
12. Дана оценка статической остойчивости судов под действием поперечной составляющей натяжения ПКД. На конкретных примерах показано изменение угла крена судна в зависимости от его водоизмещения.
13. Выполнено численное исследование возможности использования траверзного способа передачи грузов с помощью ПКД для неподвижных судов.
14. Разработано и предложено техническое решение автоматического управления судами, идущими параллельными курсами, при траверзном способе передачи грузов с помощью штатных авторулевых.
