автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Методика создания тренажеров крановщиков для эксплуатации кранов в морских и речных портах

На правах рукописи

Шаталин Олег Геннадьевич

МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ТРЕНАЖЁРОВ КРАНОВЩИКОВ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ КРАНОВ В МОРСКИХ И РЕЧНЫХ ПОРТАХ

Специальность: 05.22.19.

«Эксплуатация водного транспорта, судовождение»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2004

Диссертация выполнена на кафедре подъемно-транспортного оборудования и робототехники Московской Государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Н. П. Гаранин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Н. Н. Карабутов,

кандидат технических наук А. М. Терехов

Ведущая организация:

Волжская государственная академия водного транспорта

Защита состоится 19 января 2005 года в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 223.006.01 при Московской Государственной академии водного транспорта по адресу: 113105, г.Москва, Новоданиловская набережная, дом2, корпус 1, строение2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГА водного транспорта.

Автореферат разослан 17 декабря 2004 года. Учёный секретарь

диссертационного совета Д 223.006.01 кандидат технических наук, доцент Е. А. Корчагин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В морских и речных портах России ежегодно осуществляется подготовка более 1000 машинистов портовых кранов. Обучение осуществляется в два этапа: в начале теоретическое обучение, затем практическое обучение навыкам управления на реальном кране. Такая система приводит к тому, что длительность производственного обучения, то есть приобретение навыков управления довольно большая, потому что за рычаги управления будущий крановщик садится впервые.

На начальном периоде обучения будущий крановщик работает с рывками механизмов, что приводит к частым поломкам. Кроме того, кран длительное время выведен из нормальной эксплуатации и используется только для обучения крановщиков. Поэтому предлагается дать обучаемому первоначальные навыки управления краном ещё на этапе теоретического обучения. Сделать это возможно с помощью специализированного тренажёра для обучения машинистов портового крана.

Процессы в экономике России в конце XX века привели к значительному сокращению грузоперевозок на водном транспорте и, соответственно, грузопереработки в речных и морских портах. Однако, начиная с 2000 года в России наблюдается промышленный подъём и, как следствие, возрастают грузопотоки через порты России. Обслуживание грузопотоков потребует значительного количества новых крановщиков. Далее, техника, доставшаяся владельцам портов от Советского Союза, изнашивается, и через некоторое время в наиболее загруженных портах начнётся процесс замены грузоподъёмной техники на новые образцы. Возрастут требования к крановщикам.

Кроме того, развитие компьютерной техники в мире позволяет сравнительно быстро и недорого решать задачи трудноосуществимые 10 лет назад. Всё это позволяет сделать

1|/.1.,1,ОВАЛЬНАЯ I

библиотека \

возможности широкого применения компьютерных тренажёров для обучения крановщиков. Цель и задачи работы. Целями настоящего исследования являются:

- показать возможность создания недорогого тренажёра, который будет использоваться для формирования у будущих крановщиков первоначальных навыков управления подъёмным портовым краном;

- создание и практическое опробование тренажёрного комплекса нового уровня для обучения машинистов портовых кранов с применением персональной ЭВМ.

Задачи исследования:

- провести обзор существующих образцов тренажёров для обучения операторов транспортных и перегрузочных средств, а также тенденций в тренажёростроении с целью выявления признаков и параметров современных тренажёрных средств;

- создать математическую модель плавучего крана;

- на основе математической модели написать и отладить программу для персональной ЭВМ тренажёрного комплекса;

- создать собственно тренажёрный комплекс;

- внедрить созданный тренажёр в учебный процесс и получить отзывы и замечания по использованию

- определить дальнейшие пути создания и совершенствования тренажёров для обучения машинистов портовых кранов.

Методы исследования. В работе применён математический и программный методы исследования. Составлена математическая модель плавучего крана. С использованием программного пакета Visual C++ создана программа, имитирующая поведение крана при работе всех его механизмов. Визуализация окружающей среды создавалась при помощи графического процессора 3D-MAX. Натурность тренажёра достигнута применением серийного кресла крановщика с командоконтроллерами.

Научная новизна. Разработана методика создания тренажёров нового уровня для обучения крановщиков и требования к такому тренажёру. Впервые создан лабораторный образец тренажёра на базе персональной ЭВМ для обучения крановщиков с системой визуализации, обеспечивающей наблюдение за перегрузочным процессом и окружающей обстановкой.

Практическая ценность исследования. Выявлены и сформулированы признаки современного тренажёра для обучения операторов перегрузочных средств. Создан тренажёр для обучения крановщиков плавучих кранов на базе персональной ЭВМ, обладающий высокой степенью визуализации, небольшой ценой и натурностью средств управления.

Апробация и реализация результатов работы. Тренажёр опробован во время учебного процесса в Московской Государственной Академии водного транспорта при проведении занятий по дисциплинам: «Устройство и оборудование портов», «Портовые подъёмно-транспортные машины». Написано руководство по применению тренажёра.

Тренажёр позволяет познакомить учащихся со способом управления подъёмным краном, особенностями перегрузки грузов с помощью подъёмных портовых кранов с канатной подвеской грузозахватного органа. С помощью программы тренажёра строиться циклограмма работы крана и сравнивается с расчётной, полученной на лабораторных работах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, заключения и приложений. Диссертация содержит 120 страниц, 26 рисунков, 126 формул, 2 фотографии.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы. Далее в введении кратко описывается суть каждой главы диссертации.

В первой главе рассматривается развитие и современное состояние тренажёростроения за рубежом и в России. К наиболее существенным особенностям зарубежного тренажёростроения относятся следующие:

- высокий уровень концентрации ресурсов тренажёростроительной промышленности;

- развитая кооперация фирм в целях разработки наиболее сложных тренажеров, а также рационального использования специализации фирм по отдельным системам тренажёрной техники;

- унификация большинства элементов структуры тренажёров различных объектов;

- модульный принцип построения тренажёров.

В техническом плане современное зарубежное тренажёростроение опирается на достижение микроэлектроники и вычислительной техники, средств оргтехники, лазерной и волоконной техники.

Отечественное тренажёростроение развивалось по-иному. В нашей стране практически все тренажёры создаются предприятиями департаментов, где предполагается эксплуатация тренажёров. При этом работа предприятий разных ведомств, разрабатывающих тренажёрную технику, проводится параллельно и без должной взаимной информации и консультации. Так, у нас отсутствуют разрабатываемые по единым межотраслевым требованиям однотипные элементы, входящие в состав тренажёров. Требуют развития экономические и, в частности инженерно-психологические требования к проектированию и эксплуатации тренажёров.

В России существует большое количество видов тренажёров управления машинами. Широко известны автомобильные, авиационные, железнодорожные тренажёры, тренажёры для судоводителей и

судомехаников. Тренажёры для машинистов грузоподъёмных кранов встречаются довольно редко, хотя потребность в них значительна.

Далее приводятся примеры отечественных тренажёров транспортных и перегрузочных средств: навигационный тренажёр « Мастер » Иртышского речного пароходства, тренажер машиниста электровоза ЧС-4Т пассажирского состава, тренажер машиниста электровоза ВЛ-80С грузового состава Центра тренажёростроения и подготовки персонала (ЦТ), тренажёры подъёмных кранов Пермского политехнического института.

Исходя из анализа образцов тренажёров и обзора состояния дел в тренажёростроении можно отметить следующие признаки современного тренажёра для обучения крановщиков подъёмных портовых кранов:

- использование серийной ПЭВМ;

- применение натурных средств управления, максимальное приближение обстановки тренажёра к обстановке реального рабочего места;

- визуализация в тренажёре среды, окружающей имитируемую машину (кран);

- наличие в тренажёре нескольких возможных схем тренировки для увеличения заинтересованности обучаемого и увеличения эффективности тренировки;

- выведение на экран параметров рабочего процесса;

- возможность гибко менять задание для обучаемого и условия имитируемой работы подъёмного крана;

- автоматическая оценка действий обучаемого на основе специально разработанных критериев.

Тренажёр для обучения машинистов крана должен быть на первоначальном этапе именно недорогим. И только на следующих этапах руководители предприятий, видя экономический эффект от использования тренажёров будут готовы приобретать более дорогие тренажёрные системы с более широкими возможностями. Далее описываются цели работы, и ставятся задачи исследования.

Во второй главе создаётся математическая модель плавучего крана. Из всех портовых кранов наибольшим количеством степеней свободы обладает плавучий кран, поэтому он и рассматривается при разработке математической модели. Выделяются наиболее важные в массовом и кинематическом отношении части крана (рисунок 1).

Схема плавкрана.

Рис1

Массу крана распределяем между понтоном, машинным отделением, стрелой, хоботом, противовесом и грузом. Вводим системы координат: XoYoZo - неподвижная, связанная с берегом; XYZ - подвижная, связанная с понтоном.

Для составления модели плавучего крана принимаем стрелу, хобот в виде стержней не имеющих толщину, так как она незначительна (4-6%) по сравнению с длиной указанных объектов.

Во время работы плавучий кран закрепляется к причалу, судну или крепится с помощью свайного закола. Поэтому во время работы исключаются поступательные движения понтона и вращательные вокруг вертикальной оси. При максимальном волнении поверхности воды рабочего состояния крен достигает не более 4 градусов. Во время работы крен возникает в основном за счёт изменения вылета стрелы с грузозахватным органом и грузом, а также при ветре.

Основными вариантами работы моделируемого крана являются судно-склад и склад-судно.

При решении задач создания тренажёра для обучения машинистов крана вводим следующие допущения:

- упругостью понтона, элементов поворотной части (стрелы, машинного отделения, хобота и др.) пренебрегаем, принимая их абсолютно жёсткими, ввиду незначительности внутренних перемещений ( деформаций) точек системы, в сравнении с внешними;

- массу грузового каната, на котором подвешен груз, не учитываем.

- смещение центра тяжести понтона с краном и грузом на крюке по вертикали принимаем равным нулю;

- работу крана рассматриваем на тихой воде при незначительном ветре;

- перемещения понтона в горизонтальной плоскости отсутствуют, что соответствует жёсткому закреплению понтона к причалу (неподвижному судну);

Математическую модель создаём на основе уравнений Лагранжа 2-го рода.

где:

Т - кинетическая энергия системы;

Я; - обобщённая координата; Я/ - обобщённая скорость; - обобщённая сила;

1 = 1...П - номер обобщённой координаты;

п - количество степеней свободы системы.

Рассматриваемая система понтон-кран-груз имеет независимые друг от друга параметры (обобщённые координаты), при помощи которых можно в любой момент времени однозначно определить положение системы и, следовательно, выразить декартовы координаты всех её точек через эти параметры. Число этих независимых параметров определяется числом степеней свободы рассматриваемой системы.

У свободного, абсолютно твёрдого тела (у которого отсутствуют внутренние деформации) имеется шесть степеней свободы. Применительно к рассматриваемому крану наличие связей исключает некоторые степени. Причал к берегу, или свайный закол исключают перемещение понтона крана в горизонтальной плоскости и вращение понтона вокруг вертикальной оси. Перемещение понтона в вертикальной плоскости крайне незначительно из-за незначительности волнения водной поверхности. Поэтому принимается отсутствие перемещения понтона крана в вертикальной плоскости. В то же время возможность раскачивания груза на канатной подвеске добавляет две степени свободы. Перемещение частей системы понтон-кран-груз относительно друг друга задаются работой механизмов и известны в любой момент времени, т.е. не являются степенями свободы.

Исходя из выше написанного в качестве обобщённых координат (степеней свободы) системы принимаются следующие параметры:

- угол крена понтона;

- угол дифферента понтона;

- угол отклонения грузового каната от вертикали в плоскости стрелы (от вертикальной линии, проходящей через ось концевых блоков на конце хобота или стрелы при отсутствии хобота);

- угол отклонения грузового каната от вертикали в плоскости, перпендикулярной плоскости стрелы.

Изменение положения друг относительно друга частей системы понтон-кран-груз возникающее в следствии работы механизмов крана в математической модели имитируется заданными функциями:

- функция угла поворота крана относительно понтона;

- функция угла поворота стрелы относительно машинного отделения;

- функция длины подвеса груза.

Значения функций задаём из условия обеспечения

наибольшей производительности работы крана. Поэтому значения указанных функций известны в любой момент времени.

С учётом принятых допущений и заданных функций, а также выбранных обобщённых координат можно определить положение точек системы понтон-кран-груз в пространстве в любой момент времени.

Первый этап в составлении уравнений Лагранжа 2-го рода это определение кинетической энергии Т системы понтон-кран-груз. Рассматриваем отдельно кинетическую энергию понтона, машинного отделения, стрелы, хобота, противовеса и груза. Полная кинетическая энергия системы будет равна сумме кинетических энергий указанных выше тел.

Кинетическую энергию отдельных тел вычисляем, применяя формулу сложения скоростей (2) (векторные величины выполнены полужирным шрифтом).

У,& = УПЧ1 + У0Т11 (2)

Где: У,бС - абсолютная скорость точки;

- переносная скорость;

- относительная скорость точки.

Далее производим дифференцирование суммарной кинетической энергии по обобщённым скоростям и по обобщённым координатам, а также дифференцирование по времени. Затем вычисляем обобщённые силы.

Общий вид системы уравнений Лагранжа 2-го рода для системы понтон - кран - груз после всех преобразований будет:

0"А, + 4"'А2 + Ор"Аз + от"А4 + 0'А5 + Ч"А6 + а Р'А7 Н-о^Ав +

0"В, + Г'В2 + Ор"В3 + а1"В4 + 0'В5 + ГВ6 + а Р'В7 + сц'Вз +

0"С, + Ч"'С2 + Ор"Сз + а1"С4 + 0'С5 + Ч"С6 + С70р + С8 = О 0"О, + Г'02 + Ор"С4 + а,"С3 + 0'О5 + Г06 + С7а, + 08 = О

А1-Ац, В1-В11, С]-Се, Ог08 - величины, зависящие от заданных

функций, геометрических и инерционных параметров.

В третьей главе производится адаптация математической модели к конкретному тренажёру. Решение системы четырёх дифференциальных уравнений второго порядка несколько раз в секунду потребовало бы мощной ПЭВМ и сильно усложнило бы программу для ПЭВМ, поэтому велись поиски с целью оправданного упрощения математической модели.

В процессе работы наибольшие колебания грузозахватного органа возникают от работы механизмов поворота и изменения вылета стрелы. Гасятся колебания грузозахватного органа изменением координаты и скорости точки подвеса груза в горизонтальной плоскости, т. е. с помощью работы механизмами поворота и изменения вылета стрелы.

Начинающему крановщику важно в первую очередь привить навыки гашения раскачивания груза одновременно в двух плоскостях (плоскости стрелы и плоскости, перпендикулярной плоскости стрелы). Это достигается включением в нужный момент времени механизмов изменения вылета стрелы и поворота крана, а также умелым совмещением работы этих механизмов. Второй задачей для начинающего крановщика является научится так совмещать и оптимизировать работу всех механизмов крана, чтобы добиться наименьшей продолжительности перегрузочного цикла крана.

Проведённые исследования показали, что изменение координаты грузозахватного органа от крена и дифферента понтона плавучего крана значительно меньше, чем от раскачки грузозахватного органа при работе механизмами поворота и изменения вылета крана. С целью упрощения численного решения математической модели принимаем обобщённые координаты 9 И Т равными константе и нулю. В следствии чего математическая модель для создания опытного образца тренажёра сократилась до системы из двух дифференциальных уравнений. В то же время, для достижения наибольшей реальности действий при работе на тренажёре возможно создание программы для ПЭВМ на основе математической модели из четырёх дифференциальных уравнений, учитывающей изменение крена и дифферента плавучего крана (система уравнений 3).

Далее в третьей главе рассматриваются заданные функции 12(1), £(1), Ь(1). Оптимальный вид этих функций находится исходя из конкретных условий перегрузки груза: варианта работ, расположение точек захвата груза и

отдачи груза, высоты причальной стенки и предметов окружающей обстановки, могущих находится на пути движения грузозахватного органа, скоростей перемещения груза во всех плоскостях (технических характеристик крана). Программа ПЭВМ тренажёра определяет оптимальные циклограммы работы механизмов крана (вид заданных функций) для конкретных условий перегрузки с целью сравнения с реальными циклограммами, полученными оператором при работе на тренажёре.

Ещё одно упрощение связано с механизмом подъёма. Скорости работы механизма подъёма мало влияют на раскачивание груза. Большое значение имеет длина подвеса груза. Поэтому, с целью упрощения математической модели принимаем длину подвеса груза постоянной в каждый момент времени.

В четвёртой главе описывается создание собственно тренажёра. Задачей при создании тренажёра являлось: разработать устройство, позволяющее почувствовать будущему крановщику себя в обстановке, максимально приближенной к обстановке реальной кабины крановщика на реальном кране. Поэтому, в качестве рабочего места используется реальное, т. н. кресло крановщика, которое включает в себя: коммандоконтроллеры изменения вылета, поворота, подъёма, а также непосредственно кресло крановщика.

Для контроля за положением коммандоконтроллеров и передачи сигнала на ПЭВМ создано электронное устройство специалистами МГАВТа. Электронное устройство представляет собой электронную схему пассивного типа, т. е. электропитание на схему подаётся от ПЭВМ.

Комбинация замкнутых и разомкнутых контактов коммандоконтроллера преобразуется в двоичный код, который входит в число задаваемых параметров для работы программы, моделирующей поведение системы понтон - кран - груз.

Для математической модели это задаваемые функции £!( I), ¡;( I), ЦI). Общая блок-схема тренажёрного комплекса представлена на рисунке 2.

Результаты моделирования с учётом положения ручек управления представляются на экране монитора в виде грузозахватного органа и груза на фоне окружающей обстановки причала, реки, складов, передней части понтона крана и т. д., т. е. вида из кабины крановщика. При этом текущие значения включённых скоростей подъёма, поворота и вылета отображаются на экране.

Блок-схема тренажёрного комплекса

Рис. 2

В тренажёре предусмотрена возможность управления так же с клавиатуры ПЭВМ.

Одной из главных особенностей работы тренажёра является её наглядность т. е. на экране монитора отображается реальная обстановка. Грузозахватный орган перемещается относительно судна, причала, складов, акватории порта. Эффект достигается за счёт загрузки на экран соответствующего изображения окружающей обстановки при каждом минимальном повороте. В памяти существуют серии видов плана порта с интервалом в 0,1 градуса поворота крана. Для каждой схемы механизации серия кадров своя.

Серии видов плана порта создавались при помощи графического пакета 3DMax.

Как варианты работ рассматривались схемы склад-судно и судно-склад с углём, песком, контейнерами. Всего 6 схем.

Основная работа связана с программированием движения груза, т. е. с реализацией системы дифференциальных уравнений. Задача была решена с помощью языка программирования Visual-C++.

Был создан алгоритм работы программы тренажёра.

Груз постоянно находится в центре экрана и движется по законам механики при решении математической модели. Возмущающее воздействие задаётся работой механизмов крана. При работе механизма поворота происходит смена кадров окружающей обстановки в соответствии со скоростью поворота.

Грузозахватный орган с грузом отрисовывается несколько раз в секунду в зависимости от вида из кабины крановщика. В программе учитывается наличие и расположение окружающих предметов и рельефа местности. При соприкосновении с препятствием становится невозможным дальнейшее движение груза в данном направлении. Заданы граничные условия также по максимальному и минимальному вылету и высоте подъёма. На экране присутствует индикация угла поворота, высоты подъёма, величины вылета, включённых скоростей соответствующих механизмов, а также координаты заданной точки доставки груза и отсчёт прошедшего времени.

Разработан интерфейс компьютерного тренажёра с учётом удобств работы обучаемого и преподавателя.

Одна из функций программы - оценка качества работы обучаемого. Сравнение происходит по времени цикла и количеству включений механизмов крана - циклограмме. Циклограмма по каждому варианту работ вычисляется на основании данных о работе механизмов подъёма, поворота, изменения вылета.

Критерием оценки успехов оператора при работе на тренажёре являются численные значения коэффициентов Квр И КВИ1:

К„р = Тцф/Тц (4)

Где: - оптимальная длительность цикла, с,

- фактическая длительность цикла работы крана с учётом гашения раскачивания груза, с. Способность оператора достигать наивысшей производительности при наименьшем количестве включений-выключений механизмов, но при обязательном выполнении исходных данных (заданных геометрических параметров подъёма-спуска, поворота, вылета стрелы) свидетельствуют о навыках оператора. Наименьшее количество включений-выключений механизмов обеспечивает снижение нагрузок на механизмы и металлоконструкции. Оценка этого качества производится относительной величиной:

Квю1= Пвшф/ пвкл (5)

Где: Покл - количество включений-выключений за время цикла Тц;

- количество фактических включений-выключений механизмов крана за время цикла Тц.ф. (фактического) Численные значения Квр И Кцю, наиболее близкие к единице, свидетельствуют о хороших навыках будущего крановщика своевременно реагировать на ситуацию при перегрузке и достигать наивысшей производительности.

После выполнения задания на экране строятся наложенные графики реальной и оптимальной циклограмм. Обучаемый видит, где он допускает ошибки и над чем ему требуется поработать.

Предусмотрена возможность менять координаты точек захвата и отдачи груза, параметров грузозахватного органа, скоростей механизмов крана. Специально разработана подпрограмма внесения объектов в виртуальный мир причала. Т.е. при создании другой серии «кадров» другого причала

с другими объектами, в том числе и в секторе свыше 90°, существует возможность занесения в программу координат новых объектов с тем, чтобы грузозахватный орган с грузом «чувствовал» их. Это означает, что при касании виртуального объекта (склада, берега и т.д.) дальнейшее движение грузозахватного органа в прежнем направлении невозможно.

Заключение.

При проведении анализа методов и технических средств для обучения машинистов кранов в портах выявлена необходимость и возможность разработки принципиально нового тренажёрно - обучающего комплекса для обучения крановщиков.

Сформулированны основные признаки современного тренажёра нового уровня для обучения машиниста портового крана

Выполненное теоретическое исследование обеспечило получение математической модели плавучего крана для условий работы с гибкой подвеской груза в виде системы дифференциальных уравнений второго порядка на основе уравнения Лагранжа 2-го рода, с коэффициентами, зависящими от заданных функций времени.

Во время научно-исследовательской работы созданы программа для персональной ЭВМ тренажёрного комплекса, а также сам тренажёр с натурными органами управления - коммандоконтроллерами.

Тренажёр опробован во время учебного процесса в Московской государственной академии водного транспорта. Написано руководство по применению тренажёра.

Эксплуатация тренажёра во время 2003/2004 учебного года выявила функциональность тренажёра. Получены отдельные рекомендации по совершенствованию электромеханической и программной частей тренажёра.

Представляется, что дальнейшие работы по совершенствованию тренажёрных комплексов для обучения крановщиков должны вестись на основе подробного технического задания от предприятия, где будет эксплуатироваться тренажёр. Возможные направления:

- использование в качестве органов управления модернизированных джойстиков как имитации командоконтроллеров, а не самих командоконтроллеров с переходным электронным устройством;

- имитация в тренажёре воздействия большего числа факторов (качки, ветра и т.д.);

- использование звуковых эффектов для увеличения реальности тренировки;

- применение в тренажёре более мощной персональной ЭВМ;

- для создания системы визуализации применение новейших графических программ (процессоров), либо съёмки на цифровую видеокамеру окружающей местности из кабины крановщика.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Шаталин О. Г. Компьютерный комплекс для обучения машинистов крана. Шестая межвузовская студенческая научно-техническая конференция. «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины» (тезисы докладов). С. 25. Москва, Издательство МГАВТ, 2002 г.

2. Гаранин Н. П., Шаталин О. Г. Уравнение движения плавучего крана с учётом крена, дифферента и отклонения груза от вертикали. Повышение эффективности работы технических средств портов. Сборник научных трудов. С. 14-17. Издательство ЦДМУ МГАВТ. Москва 2002 г.

3. Гаранин Н. П., Шаталин О. Г. Метод составления математической модели плавучего крана для целей создания компьютерного тренажёра. Вычисление кинетической энергии системы. Материалы XXVI научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московской государственной академии водного транспорта. Часть 2. С. 192-194. Издательство «Альтаир». МГАВТ. Москва 2004г.

4. Шаталин О. Г. Компьютерный тренажёр для обучения крановщиков. Рекомендации по использованию. Московский государственный строительный университет. Восьмая московская межвузовская научно-техническая конференция студентов и молодых учёных «Подъёмно -транспортные, строительные, путевые машины и робототехнические комплексы». (Тезисы докладов) 7 апреля 2004 г. С. 114-117. Издательство Экспресс-полиграфия. Москва 2004г.

5. Гаранин Н. П., Шаталин О. Г. Перспективы создания компьютерных тренажёров для обучения машинистов портовых кранов. Материалы международной научно-технической конференции 14-17 сентября 2004 года «Интерстроймех 2004». С. 157- 159.

Воронеж. Отдел оперативной полиграфии ВГАСУ, 2004г.

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Заказ № 540 Подписано в печать 15.12.04 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1

ООО "Цифровичок", тел. 741-18-71,505-28-72 www.cfr.ru

Введение.

Глава I. Анализ современного состояния создания и работы существующих тренажёров на транспорте.

§1. Существующие тренажёры водителей транспортных средств.

§2. Анализ действующих тренажёров для обучения крановщиков.

§3. Принципы создания электронных тренажёров. Цели и задачи исследования.

Глава II. Математическая модель плавучего крана.

§4. Расчётная схема плавучего крана и технология его работы.

§5. Выбор обобщённых координат и скоростей. Допущения.

§6. Определения суммарной кинетической энергии плавучего крана.

§7. Определения обобщённых сил.

§8. Составление уравнения Лагранжа второго рода.

Глава III. Подготовка математической модели для целей создания компьютерного тренажёра.

§9. Дополнительные допущения и преобразование уравнений для решения на ЭВМ.

§10. Алгоритм решения системы дифференциальных уравнений.

§11. Заданные функции системы плавучего крана.

Глава IV. Создание электронного тренажёра.

§12. Электронно-механическое устройство тренажёра.

§13. Программный пакет для персональной ЭВМ.

§14. Использование тренажёра в учебных и производственных организациях. Эффективность применения тренажёра.

В морских и речных портах, в специальных учебных заведениях ежегодно осуществляется подготовка более 1000 машинистов кранов [ 4 ] по программе: теоретическое обучение, а затем производственное обучение непосредственно на кране.

Такая система приводит к тому, что длительность производственного обучения, то есть приобретение навыков управления довольно большая, потому, что за рычаги управления будущий крановщик садится впервые. На начальном этапе обучения будущий машинист крана работает с рывками механизмов, то есть с резкими пусками - остановками механизмов, что из-за больших инерционных нагрузок приводит к частым поломкам [9, 10].

Кроме того, кран длительное время выведен из нормальной эксплуатации и используется только для обучения крановщиков. То есть происходит непроизводительное использование грузоподъёмной машины. Важно так — же, чтобы приобретаемые навыки управления краном обеспечивали наибольшую производительность машины при минимальных нагрузках на металлоконструкцию и механизмы крана. Достигнуть такого состояния быстро при отсутствии тренажёра для крановщиков достаточно трудно.

Развитие компьютерной техники в мире, в частности высокопроизводительных персональных ЭВМ позволяет сравнительно быстро и недорого решать задачи трудноосуществимые 10 лет назад.

Всё это позволяет сделать вывод о необходимости и возможности широкого применения компьютерных тренажёров нового поколения для обучения крановщиков.

В СССР и России разработкой подобных тренажёров занимался Пермский политехнический институт. Было создано более двух десятков образцов тренажёров различных кранов. Однако созданные тренажёры не нашли широкого применения в основном по трём причинам: и

- тренажёр предусмотрен изготовляться как индивидуальная конструкция;

- недостаточная визуализация перегрузочного процесса. На дисплее, как правило, нужно совместить две светящиеся фигуры - груз и точка адресации груза. Отсутствует изображение реальных объектов (судна, складов, причала и др.);

- не предусмотрена возможность оперативно менять компьютерную программу для изменения задания обучаемым крановщикам.

Кроме того созданные тренажёры устарели морально.

В современных учебных заведениях, готовящих крановщиков, очень мало тренажёрных средств. Тому есть ряд причин. Учебные комбинаты ведут учебный процесс по старой и проверенной методике, не предусматривающей применение ЭВМ и тренажёров, т. к. когда создавалась эта методика, такие технические средства ещё не были широко распространены. Современные тренажёры достаточно дороги и их закупка считается не оправданным экономически. В настоящее время руководители предприятий не достаточно отчётливо понимают эффективность применение тренажёров. Подъёмный кран неоправданно считается менее опасной машиной для оператора, окружающих людей и среды, чем самолёт, поезд или корабль. Поэтому принято обучать будущих крановщиков навыкам управления непосредственно на кране. В речных и морских портах осталось много подъёмных кранов со времён СССР, когда грузооборот был значительно выше, чем в настоящее время, поэтому пока новая техника покупается редко и для обучения крановщиков используется свободная старая техника. Кроме того, на производстве и транспорте работает много крановщиков, получивших опыт во времена Советского Союза, и этих рабочих кадров пока хватает для обслуживания современного уменьшившегося грузооборота. Однако через несколько лет большинство из опытных крановщиков достигнут пенсионного возраста и остро встанет вопрос о подготовке новых кадров.

Директора и владельцы предприятий будут вынуждены тратить больше средств на подготовку новых кадров.

Вместе с тем, в настоящее время в России практически отсутствуют предложения на рынке тренажёров для обучения операторов подъёмных средств. Задача настоящего исследования - показать возможность создания недорогого тренажёра, который будет использоваться для формирования у будущих крановщиков первоначальных навыков управления подъёмным краном.

В сегодняшних экономических условиях, когда, с одной стороны возрастает спрос на тренажёрную технику, а с другой, обостряются вопросы согласования сроков и стоимости создания тренажёров, вопросы определения эффективности их дальнейшего использования, задача выбора тренажёров становится весьма актуальной как с педагогических, так и с экономических позиций. Поэтому выбор тренажёра (комплекса тренажёрных средств), требующегося для профессиональной подготовки того или иного субъекта обучения, должен быть строго научно увязан с процедурой установления пространства выбора на основе некоторой классификации, с правилами (алгоритмами) выбора конкретного средства профессиональной подготовки (СПП) из данного пространства и, следовательно, с показателями эффективности этого выбора.» [ 2 ]

Проблеме выбора тренажёра посвящена первая глава. Основные черты и признаки современного тренажёра для обучения операторов подъёмной техники показаны в первой главе на основе примеров тренажёров нового уровня для обучения операторов различных транспортных средств.

Вторая глава посвящена созданию математической модели плавучего крана для целей написания программы для персональной ЭВМ тренажёрного комплекса.

В третьей главе проводится адаптация математической модели для конкретного тренажёра. Далее описываются заданные функции работы механизмов крана.

В четвёртой главе рассказывается непосредственно о создании опытного образца тренажёра для обучения крановщиков плавучего крана. Здесь же описывается интерфейс (способ общения с оператором) тренажёра, настройка и возможности изменения параметров моделируемой ситуации работы крана. Так же приводятся результаты внедрения опытного образца тренажёра в учебный процесс Московской Государственной академии водного транспорта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При проведении анализа методов и технических средств для обучения машинистов кранов в портах выявлена необходимость и возможность разработки принципиально нового тренажёрно - обучающего комплекса.

Проведён обзор существующих тренажёров для обучения водителей и операторов транспортных и перегрузочных средств. Обзор показал широкое распространение и совершенство тренажёров для судоводителей, автоводителей, машинистов поездов, но малую распространённость тренажёров для операторов подъёмно-перегрузочных машин.

Отмечены недостатки и сильные стороны существующих тренажёров для обучения машинистов кранов.

На основе проведённого анализа выделены основные признаки современного тренажёра нового уровня для обучения машиниста крана:

1 Тренажёр на базе серийной ПЭВМ.

2 Применение натурных средств управления, максимальное приближение обстановки тренажёра к обстановке реального рабочего места.

3 Визуализация в тренажёре среды, окружающей имитируемую машину ( кран ).

4 Наличие в тренажёре нескольких возможных схем тренировки для увеличения заинтересованности обучаемого и увеличения эффективности тренировки.

5 Выведение на экран параметров рабочего процесса.

6 Возможность гибко менять задание для обучаемого и условия имитируемой работы подъёмного крана.

7 Автоматическая оценка действий обучаемого на основе специально разработанных критериев.

Описаны принципы выбора тренажёра и методика составления технического задания на тренажёр.

Составлена расчётная схема плавучего крана для целей создания тренажёра, обучающего первоначальным навыкам управления плавучим краном.

Выполненное теоретическое исследование обеспечило получение математической модели плавучего крана для условий работы с гибкой подвеской груза в виде системы дифференциальных уравнений второго порядка на основе уравнения Лагранжа 2-го рода, с коэффициентами, зависящими от заданных функций времени. В качестве обобщённых координат взяты:

- угол крена понтона ©;

- угол дифферента понтона

- угол отклонения грузового каната в плоскости стрелы ар;

- угол отклонения грузового каната в плоскости, перпендикулярной плоскости стрелы о^;

Общий вид системы уравнений:

0"А, + Ч"'А2 + ар" А3 + а^/ц + ©'А5 + Ч"А6 + а Р'А7 +ат'А8 + + А90 + Аюар + An = О

0"В, + Ч"'В2 + ар"В3 + ат,,В4 + 0'В5 + Ч"В6 + а Р'В7 + o^'Bg + 105 ) В9гР + Вюар + В11 = 0

0"С, + Г'С2 + ар"С3 + ат"С4 + 0'С5 + ТС6 + С7ар + С8 = О t 0"D, + 4"'D2 + ар"С4 + а?"С3 + 0'D5 + + С7От + D8 = О

Ai - Ац , В] - Вц , Ci — С8 , Di- D8 - величины, зависящие от заданных функций, геометрических и инерционных параметров

Теоретическое обобщение решения системы дифференциальных уравнений представлено в виде, пригодном для составления алгоритма и компьютерной программы. Разработан путь решения математической модели, который применён в программе электронного тренажёра. Даны рекомендации для принятия численных значений величин, используемых при решении уравнений движения груза. Исследованы параметры функций времени (работы механизмов подъёма, поворота и вылета), используемых в уравнениях движения плавучего крана.

Математическая модель подвергнута оправданным упрощениям с целью использования её в программе для персональной ЭВМ тренажёрного комплекса.

Поисковые исследования комбинаций и форм заданных функций времени механизмов подъёма, поворота и изменения вылета стрелы крана позволили разработать расчётную циклограмму его работы при обучении на тренажёрно — обучающем комплексе.

Во время научно-исследовательской работы созданы программа для персональной ЭВМ тренажёрного комплекса, сам тренажёр с натурными органами управления - коммандоконтроллерами, а так же переходное электронное устройство, связывающее органы управления с ПЭВМ. Программа позволяет рассчитать положение грузозахватного органа в любой момент времени в зависимости от действий оператора, получить изображения грузозахватного органа с грузом или без, района перегрузки с окружающими объектами как вид из кабины крановщика. Экран монитора является элементом системы визуализации тренировки. Программа тренажёра выводит на экран текущие параметры тренировочного процесса: текущие координаты грузозахватного органа, координаты точки адресации грузозахватного органа, текущие скорости механизмов крана, время, прошедшее с начала грузового цикла. Программа автоматически регистрирует и записывает в память циклограммы работы механизмов крана и сравнивает с оптимальной циклограммой для данной схемой механизации и параметров перегрузки. Программа автоматически оценивает работу оператора.

Программа для • ПЭВМ условно разделена на графическую и программную части.

Графическая часть состоит из серий «кадров» - изображений, видов из кабины крановщика. Каждый «кадр» отличается от соседних изменением изображения при повороте крана на 0,1 градуса. При каждом повороте крана, моделируемом тренажёром, происходит загрузка на экран соответствующего изображения окружающей обстановки. Серия изображений создавалась при помощи графического пакета 3D-MAX. Но источником «кадров» могут служить любые другие способы создания изображений. Например, реальная съёмка на цифровую камеру вида из кабины крановщика реального крана. Такая система визуализации выводит тренажёрный комплекс на качественно новый уровень, по сравнению с существующими образцами.

Для программной части создан алгоритм работы. Программная часть написана на языке программирования С++.

Электромеханическая часть тренажёра взята как серийное кресло крановщика с командоконтроллерами. Электронное переходное устройство разрабатывалось отдельно и служит для формирования сигналов для ПЭВМ, информирующих о текущем положении командоконтроллеров. Таким образом найден вариант, когда на стадии теоретического обучения будущий крановщик осваивается со своим рабочим местом.

Тренажёр опробован во время учебного процесса в Московской Государственной Академии водного транспорта при проведении занятий по дисциплинам: «Устройство и оборудование портов», «Портовые подъёмно-транспортные машины». Написано руководство по применению тренажёра.

Тренажёр позволяет познакомить учащихся со способом управления подъёмным краном, особенностями перегрузки грузов с помощью подъёмных кранов с канатной подвеской грузозахватного органа. С помощью программы тренажёра строиться циклограмма работы крана и сравнивается с расчётной, полученной на лабораторных работах.

Эксплуатация тренажёра во время 2003/2004 учебного года выявило функциональность тренажёра, а так же отдельные рекомендации по совершенствованию электромеханической и программной частей тренажёра.

Представляется, что дальнейшие работы по совершенствованию тренажёрных комплексов для обучения крановщиков должны вестись на основе подробного технического задания от предприятия, где будет эксплуатироваться тренажёр [ 35 ]. Возможные направления:

- использование в качестве органов управления модернизированных джойстиков как имитации командоконтроллеров, а не самих командоконтроллеров с переходным электронным устройством;

- имитация в тренажёре воздействия большего числа факторов (качки, ветра и т. д.);

- использование звуковых эффектов для увеличения реальности тренировки;

- применение в тренажёре более мощной персональной ЭВМ;

- для создания системы визуализации применение новейших графических программ (процессоров), либо съёмки на цифровую видеокамеру окружающей местности из кабины крановщика.

1. "Master" судоводительский тренажёр. -г.Омск: Издательство «Омская правда», 1991. — 9 с.

2. Недзельский И. И. Морские навигационные тренажёры: проблемы выбора-СПб: ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 2002.-220 с.

3. Отчёт по научной работе академика Российской инженерной академии, академика академии транспорта России, ректора МИВТа Гаранина Н. П. - Москва: МИВТ, 1993.-32 с.

4. Система «человек-машина» // Новый энциклопедический словарь. - М.: Науч. изд. «Большая российская энциклопедия», 2004. - С. 1113.

5. Бать М. И., Джанелидзе Г. Ю., Кельзон А. С. Теоретическая механика в примерах и задачах: Учеб. пособие для втузов. В 3-х т. Т. II. Динамика. - 8-е изд., перераб. Гл. ред. физ.-мат. лит.-М.: Наука, 1991. — 640 с.

6. Гаранин Н. П., Брауде В. И., Артемьев П. П. Грузоподъёмные машины на речном транспорте: Учеб. для вузов. / Под ред. Н. П. Гаранина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1991. -319 с.

7. Александров М. П. Подъёмно-транспортные машины. — М.: Высшая школа, 1979. -558 с.

8. Брауде В. И. Вероятностные методы расчёта грузоподъёмных машин. -Л.: Машиностроение, 1978. -231 с.

9. Брауде В. И. Надёжность подъёмно-транспортных машин. — Л.: Машиностроение, 1986. - 183 с.

10. Гаранин Н. П. Эксплуатация плавучих кранов в речных портах. - М.: Транспорт, 1978 - 120 с.

11. Дукельский А. И. Портовые грузоподъёмные машины. - М.: Транспорт, 1970 - 439 с.

12. Рачков Е. В., Силиков Ю. В. Подъёмно-транспортные машины и механизмы. - М.: Транспорт, 1989. -327 с.

13. Справочник по кранам. Т. 1 Под ред. М. М. Гохберга. - JI.: Машиностроение, 1988. - 336 с.

14. Справочник по кранам. Т. 2 Под ред. М. М. Гохберга. - Л.: Машиностроение, 1988. - 599 с.

15. Стогов В. И., Плюхин Д. С., Ефимов Г. П. Погрузо-разгрузочные машины. -М.: Транспорт, 1977. -311 с.

16. Брауде В. И., Бровцинов Ю. А., Розовский Н. Я., Силиков Ю. В. Наладка и испытание портовых кранов. -М.: Транспорт, 1984. —110 с.

17. Гжиров Р. И. Краткий справочник конструктора. - Л.: Машиностроение, 1983. - 464 с.

18. Камнев Г. Ф., Кипарский Г. Р., Балин В. М. Подъёмно-транспортные машины и палубные механизмы.-Л.: Судостроение, 1976.-312с.

19. О концепции развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации. // Речной транспорт. ( XXI век ) № 2, 2004 - С. 24 - 26 .

20. Волков Е. А. Численные методы. -М.: Наука, 1987.-248 с.

21. Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы: Учебное пособие. -М.: Наука, 1987.— 600 с.

22. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъёмных кранов. Госгортехнадзор России. -М.: НПО ОБТ, 2001. -267 с.

23. Казаков А. П. Технология и организация перегрузочных работ на речном транспорт. -М.: Транспорт, 1984.-416 с.

24. Ерофеев Н. И., Гордеев Г. И. Комплексная механизация перегрузочных работ. — М.: Транспорт, 1977.-228 с.

25. Савин В. И. Математические методы оптимального планирования работы флота и портов.-М.: Транспорт, 1969.-168с.

26. Сиротский В. Ф. Эксплуатация портов.-М.: Транспорт, 1974.-312 с.

27. Страхов В. М., Протасов JI. П. Автоматизация и механизация перегрузочных работ.-М.: Транспорт, 1981.-221 с.

28. Суколенов А. Е., Артюхин Ю. Г. Подъёмно-транспортные машины и механизация перегрузочных работ.-М.: Транспорт, 1972.-312 с.

29. Шерле 3. П., Гнояной А. А. Организация и механизация перегрузочных работ в речных портах.-М.: Транспорт, 1976.-232 с.

30. Фролов А. С., Кузьмин П. В., Степанец А. В. Организация, планирование и технология перегрузочных работ в морских портах. — М.: Транспорт, 1979. -408 с.

31. Лихачёв А. В. Современное состояние навигационных тренажёров. // Судостроение за рубежом. -1981. №2. - С. 43-57.

32. Зеленин В. М. Электронные тренажёры. -М.: Знание, 1986. —64 с.

33. Кобзев В. В. «Интеллектуальный» тренажёр на борту судна. // Судостроение. - 1994 № 4. - С. 23-24.

34. Тер-Мхитаров М. С. История развития электронных тренажёров операторов грузоподъёмных машин. Областной научно - технический семинар «Тренажёры и тренажёрные комплексы». Тезисы докладов.- Пермь: Пермский политехнический институт. 1990. -С. 5-8.

35. Колодный И. Д. Экономическая и социальная эффективность тренажёров. Областной научно — технический семинар «Тренажёры и тренажёрные комплексы». Тезисы докладов.

36. Пермь: Пермский политехнический институт. 1990. -С. 8—12.

37. Шарыбин И. Д., Жилин В. А. Микропроцессорный тренажёр крановщика портального крана. Областной научно - технический семинар «Тренажёры и тренажёрные комплексы». Тезисы докладов.

38. Пермь: Пермский политехнический институт. 1990. -С. 12-18.

39. Ощепков А. И., Шаповалов А. Я. Опыт внедрения и эксплуатации электронных тренажёров. Областной научно — технический семинар «Тренажёры и тренажёрные комплексы». Тезисы докладов.

40. Пермь: Пермский политехнический институт. 1990. —С. 32 — 34.

41. Жилин В. А., Колодный И. Д., Тер-Мхитаров М. С. Перспективы развития тренажёров. Областной научно — технический семинар «Тренажёры и тренажёрные комплексы». Тезисы докладов. Пермь: Пермский политехнический институт. 1990. -С. 36-38.

42. Пантелеев А. В., Якимова А. С., Босов А. В. Обыкновенные дифференциальные уравнения в приложениях к анализу динамических систем. — М.: Издательство МАИ, 1997.- 188 с.

43. Зарубин В. С. Математическое моделирование в технике. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. —496с.

44. Тарасик В. П. Математическое моделирование технических систем. Минск: ДизайнПРО, - 1997. 640 с.

45. Трудоношин В. А., Пивоварова Н. В. Математические модели технических объектов. // Системы автоматизированного проектирования. / Под ред. И. П. Норенкова. Кн. 4.-М.: Высшая школа, 1986.- 160 с.

46. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.-М.: Наука, 1986.-544 с.

47. Воднев В. Т., Наумович А. Ф., Наумович Н. Ф. Математический словарь высшей школы. / Под. ред. Ю. С. Богданова. Минск: Вышэйш. шк., 1984.-528 с.

48. Краснощёкое П. С., Петров А. А. Принципы построения моделей. -М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1983.-264 с.

49. Мышкис А. Д. Элементы теории математических моделей. — М.: Наука, 1994.-192 с.

50. Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование. -М.: Наука, 1997.-320 с.

51. Хемминг Р. В. Численные методы для научных работников и инженеров. / Пер. с англ. под ред. Р. С. Гутера.-М.: Наука, 1972.-400 с.

52. Оператор // Новый энциклопедический словарь. - М.: Науч. изд. «Большая российская энциклопедия», 2004. - С. 846.

53. Визуализация// Новый энциклопедический словарь. -М.: Науч. изд. «Большая российская энциклопедия», 2004. - С. 188.

54. Интерфейс // Новый энциклопедический словарь. - М.: Науч. изд. «Большая российская энциклопедия», 2004. - С. 437.

55. Бичаев Б. П., Зеленин В. М., Новик JI. И. Морские тренажёры. Структуры, модели, обучение.-JI.: Судостроение, 1986.-284 с.

56. Тренажёры и их использование в процессе производственного обучения. Сборник статей. -М.: Высшая школа, 1972.-46 с.

57. Детлаф А. А., Яворский Б. М., Курс физики. - М.: Высшая школа, !989. -608 с.

58. Шукшунов В. Е., Бакулов Ю. А., Григоренко В. Н. И др. Тренажёрные системы.-М.: Машиностроение, 1981.-254 с.

59. Ралль В. Ю., Макарьев О. JL, Поляков. Тренажёры и имитаторы ВМФ. -М.: Воениздат, 1969.-215 с.

60. Сайт Донского филиала Центра тренажеростроения в интернете: http://www.dfct.ru/tren/electr.shtml

61. Сайт Пермского политехнического института в интернете: http://vtau.pstu.ac.ru/vtau-1983/15.htm