автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Новые элементы грузовых подвесок судовых кранов и технологии рейдовой грузообработки

005017923

-}

На правах рукописи

МАРКОВ Сергей Валентинович

НОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГРУЗОВЫХ ПОДВЕСОК СУДОВЫХ КРАНОВ И ТЕХНОЛОГИИ РЕЙДОВОЙ ГРУЗООБРАБОТКИ

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ДПР 2012

Москва-2012

005017923

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственная морская академия имени адмирала С.О.Макарова»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Михайлов Владимир Евгеньевич

Официальные оппоненты:

Подобед Виталий Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры управление судном Федерального бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Мурманский государственный технический университет»

Вахрушев Вячеслав Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент, начальник научно-методического центра охраны труда на речном транспорте Федерального бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московская государственная академия водного транспорта»

Ведущая организация конструкторское бюро ОАО «Северное морское пароходство»

Защита состоится 16 МАЯ 2012 года в 15:00 в ауд. №336 на заседании диссертационного совета Д.223.006.01 созданного на базе ФБОУ ВПО ^«Московская государственная академия водного транспорта» по адресу: ководаниловская наб., д. 2, корп. 1, г. Москва, 117105

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «Московская государственная академия водного транспорта», на сайте http://www.msawt.ru, и на сайте http://vak.ed.gov.ru/

Автореферат разослан 03 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На Арктическом шельфе сосредоточены большие запасы полезных ископаемых. Необходимое для добычи технологическое оборудование, строительные материалы и другие грузы доставляются морским транспортом с последующей перегрузкой на вспомогательные плавсредства небольшого тоннажа. Перегрузка осуществляется штатными судовыми грузоподъемными устройствами в условиях открытых и мало защищенных рейдов. Традиционное технологическое обеспечение операций не в полной мере соответствует современным требованиям. Необходима модернизация и внедрение новых элементов оснастки и технологии, отвечающих требованиям безопасной и эффективной эксплуатации.

Через порт Архангельск в 2011 году перевалено более 700 тыс. тонн арктических каботажных грузов. В 2012-2015 годах планируется увеличение годового грузопотока до полутора миллионов тонн.

Анализ состава флота Северного бассейна и технологического оборудования судов позволяет определить следующие цели и задачи диссертационной работы.

Цели исследования.

1. Разработка новых конструкционных элементов грузоподъемных органов и технологии использования грузозахватных приспособлений судовых кранов.

2. Совершенствование технологических процессов грузовых операций в условиях открытых рейдов и портов с ограниченной доступностью.

Задачи диссертационной работы.

1. Разработка новой конструкции и математической модели пространственной грузовой подвески судового крана.

2. Разработка математической модели контактной пары (контактный элемент - груз) для фрикционных грузозахватных устройств.

3. Разработка математической модели расчета перемещений тяжеловесных грузов в судовых трюмах при плотной загрузке.

4. Экспериментальное исследование эксплуатационных характеристик крюковых и фрикционных грузозахватных приспособлений.

5. Совершенствование способов грузообработки крупногабаритных металлических конструкций.

Объектами исследования являются грузоподъемные органы и такелажное вооружение судовых грузоподъемных устройств, а предметом исследования совершенствование технологии грузообработки судовыми крапами перспективных видов груза в портах и на открытых рейдах.

Базовыми методологическими научными работали! в области математического моделирования и исследования динамики береговых и судовых кранов являются труды А.Л.Алейнера, В.И.Брауде, Л.Василева, Д.П.Волкова, Н.П.Гаранина, М.М.Гохберга, Н.И.Григорьева, А.И.Дукельского, Н.И.Ерофеева, В.П.Ерофеева, С.А.Казака, Б.С.Ковальского, М.С.Комарова, В.А.Подобеда, Н.Бге81§, Н.Натюуег, Р.8ес11тауег, М.БсЬеГОег, К.К.агаакпз}та, М.А.Рагатез\уагап и других ученых.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались положения теоретической механики, динамики машин и крановых установок, методы математического моделирования, численные и аналитические методы решения дифференциальных уравнений, а также натурные экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик грузозахватных приспособлений.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается корректным использованием перечисленных выше методов исследования, совпадением результатов численного моделирования с модельными, натурными и технологическими экспериментами.

Научная значимость результатов работы.

1. Разработана методика расчета нагрузок в элементах пространственных грузовых подвесках судового крана со стрелой рамного типа.

2. Разработана математическая модель контактной пары (контактный элемент — груз) для фрикционных грузозахватных приспособлений.

3. Предложена методика расчета эксплуатационных нагрузок при применении грузозахватных приспособлений для металлоконструкций.

4. Разработана математическая модель расчета перемещений тяжеловесных грузов на технологических платформах в судовых трюмах в условиях плотной загрузки.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны новые конструкции пространственных грузовых подвесок стрелового судового крана с одно- и двухходовыми грузовыми канатами, на которые получен патент на полезную модель № 102356 «Подвеска грузовой стрелы» и положительное заключение экспертизы заявки по существу на выдачу патента на изобретение.

2. Разработанные математические модели пространственной грузовой подвески и грузозахватных приспособлений позволяют на стадии проектирования определять нагрузочные и геометрические характеристики работы стрелового судового крана.

3. Представленные математические модели могут быть использованы при разработке технологических карт на выполнение грузовых операций с крупногабаритными металлоконструкциями.

4. Предложенные пространственные грузовые подвески и грузозахватные приспособления позволяют совершенствовать технологические процессы перегрузки крупногабаритных металлоконструкций, а также повысить безопасность погрузочно-разгрузочных работ.

Личный вклад автора состоит в получении научных результатов, отраженных в опубликованных работах (в том числе в соавторстве), включая разработку математических моделей грузовых подвесок и грузозахватных приспособлений судового крана. Определены нагрузочные и позиционные показатели технологического процесса перегрузки крупногабаритных металлоконструкций и железобетонных изделий. Осуществлено научное планирование и проведение экспериментальных исследований.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены в технологических документах ОАО «Архангельский речной порт» на грузообработку плавкранами металлоконструкций с использованием фрикционных грузозахватных приспособлений (Акт внедрения № 331/1 от 22 декабря 2009 года).

Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и курсантов Арктического морского института имени В.И. Воронина «Региональная наука как основа развития морской деятельности Архангельской области» в 2009-2011 гг.; научно-практической конференции 18-19 ноября 2010 года филиала «Севмашвтуз» ГОУ ВПО «СПбГМТУ»; международной научно-практической конференции «Системный анализ и логистика на транспорте» факультета Международного транспортного менеджмента ФГОУ ВПО «Государственная морская академия имени адмирала С. О. Макарова» и кафедры Системного анализа и логистики ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» 21-22 апреля 2011 года.

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в десяти печатных работах, шесть из которых размещены в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных результатов диссертаций на соискашге ученой степени кандидата и доктора технических наук, двух

6

сборниках докладов вышеназванных конференций и патента на полезную модель №102356 «Подвеска грузовой стрелы».

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Математическая модель пространственной грузовой подвески стрелового судового крана.

2. Математическая модель контактной пары (контактный элемент -груз) для фрикционных грузозахватных приспособлений.

3. Методика расчета эксплуатационных нагрузок при применении грузозахватных приспособлений для крупногабаритных металлоконструкций.

4. Математическая модель расчета перемещений тяжеловесных грузов в судовых трюмах при плотной загрузке.

5. Усовершенствованная технология процесса грузообработки металлоконструкций судовыми кранами на открытых рейдах и в портопунктах с ограниченной доступностью.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Общий объем диссертации 176 е., основной текст - 142 е., рис. - 45, табл. - б, перечень использованной отечественной и иностранной научно-технической литературы из 107 наименований на 12 е., включая работы автора, 8 приложений на 22 е., включая 21 рис., 2 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность избранной темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, изложена научная новизна и практическая направленность работы, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен аналитический обзор современных технологических методов логистики и характерные особенности грузовых операций в морях Северного бассейна. На основании трудов

В.И.Пересыпкина, Р.А.Нагептяна определен прогноз динамики транспортной активности Северного морского пути в 2000 - 2020 гг. (Рис. 1).

Млн. тонн

Рис. 1. Выполненные и прогнозируемые перевозки грузов на трассе СМП.

Установлена роль порта Архангельск как одного из узловых элементов арктической транспортной системы. По важным для данного исследования видам грузов в 2010 году грузооборот, по отношению к 2009 году, имел рост всех показателей грузооборота и судооборота.

Исследованы особенности рейдовых грузовых операций и подготовки к ним. Представлены технологии грузовых операций на открытых рейдах Северного бассейна, систематизированы применяемая оснастка и такелажное вооружение судовых грузоподъемных устройств.

Вторая глава посвящена теоретическим разработкам и исследованиям.

Известно, что скоростные возможности кранов при подъеме и опускании груза используются почти полностью, а при горизонтальном перемещении в связи с необходимостью успокоения колебаний груза лишь в малой степени.

Для математического моделирования грузовой подвески на поддерживающих и замыкающих канатах рассмотрены расчетные схемы трапециевидных подвесов груза (рис.2). Опираясь на уравнения, полученные А.Н.Орловым, введены условия, соответствующие схеме 1, и получена система дифференциальных уравнений для свободных колебаний груза.

ахх + ах<рф + ахв0 + Схх = О

ту + Суу + Суд = О ахч>х + 3ЧФ + 3^9 + Сф<р = О а^х + З^Ф + 3{в + Суву + Сдв = О

4,

Схема 2 Рис. 2. Расчетные схемы подвесов груза

где коэффициенты инерции а и жесткости С определяются из выражений

Сх =

ах = т + кгЗп, в(Ь2 + Ьдга{Нк + /&) Н{Ъ-}I • гдаУ Св = Суй (Я + К),

ах<р — кЗцу ахд — кЗ$п]

С/Ь

су~н>

с<р~ н Суд = —Сук ,

а Коэффициент к — д^-дф ■

В приведенных выражениях т и й - масса и сила тяжести груза; 3\> Зг\> 3<; и 3\т\, 3^1 Зт\Ъ ~ соответственно осевые и це1пробежные моменты инерции груза.

Для схемы 2, полагая А-уВ-у = А2В2 = I получим

тх + Схх + СхфТр = 0, ту + Суу + Судв = 0, 3/-Ф ~ 3^в"~+ Зг,$ + Сч><р = 0, -З^Ф + 3(в - Зт,(Ф + Суду + Сд9 = 0, -З^Ф ~ Зг,(в + ЗпЧ> + С*фХ + Сфгр = 0, где коэффициенты жесткости С определяются из выражений

с* = %пр< су = cos2а ' C^^CAh + b.tga),

С<р = Cx<p(h + b • tg а + Япр), Сув = -Cy(h - г sin а) ,

Gf(b + г cos а)

Св =CyQi-rsma){H + h), сч>= „ гпс2„ •

"пр cos И

Из представленных систем уравнений возможно получение расчетных параметров подвесов груза.

При эксплуатации судовых грузоподъемных устройств необходимо знать возможную траекторию движения груза, подвешенного на гаке крана, колебания и отклонения груза от вертикального положения под действием внешних сил. При выполнении рейдовых грузовых операций наибольшую опасность представляет раскачивание груза на подвесе при выведенной за борт стреле. Под воздействием внешних сил возникают колебания груза.

Для груза, раскачивающегося на подвесе в плоскости параллельной плоскости мидель шпангоута, примем длины канатов и положение стрелы неизменными. Рассмотрим два варианта подвеса груза в заданной плоскости (рис. 3), где: 1 - стрела; 2а - одноканатный подвес груза; 26 - V-образный подвес груза; 3 - гак; 4 - груз, подвешенный к гаку на четырех нитях.

Гармонические колебания в пространственных V-образных подвесах не возникают. Учитывая это условие, центр масс груза 0Х и 02 под воздействием внешних сил будет перемещаться по дугам 0\0¿ и 0^02 Центром окружности дуги будут точки С/ и С2, а радиусами и t2 На груз, отклоненный от положения равновесия, действуют три силы: вес груза G, ветровая нагрузка Fb и сила сопротивления воздуха Fc. Под действием этих сил груз совершает вынужденные колебания. Поскольку ветровая нагрузка имеет эпизодический характер, рассмотрено два частных случая: статическое отклонение груза под действием постоянной ветровой нагрузки при скорости ветра V и затухающие колебания груза после шквала с максимальной скоростью ветра .

Рис. 3. Схемы подвески груза.

Расчетами установлено, что статическая амплитуда при втором способе крепления в 3,22 раза меньше.

Момент инерции груза относительно оси, проходящей через точку подвеса, по теореме Гюйгенса

/С1 =/й +т1\ + й2) + т1\-,]Сг=1о2 +т(.\=-^т{аг + с1г) + т(.\.

Установлено, что инерционные свойства груза при втором способе крепления в 8,2 раза меньше, чем при первом. Соответственно, для воздействия на груз нужно в 8,2 раза меньшее внешнее усилие.

Средняя скорость движения груза при колебательном движении

у _ Кжк = ^01 • А ■ у ^пих _ »02-^2 сР1 2 2 > сР2 2 2

Из этого следует, что средняя и максимальная скорости движения груза при втором способе крепления в 2 раза меньше, чем при первом. Соответственно, кинетическая энергия поступательного движения меньше в 4 раза. То есть, для прекращения раскачивания груза нужно совершить в 4 раза меньшую работу. Различие характеристик колебаний определяется только отношением расстояний от центра масс до точки подвеса.

Выполнены исследования грузовых подвесок в форме перевернутой трапеции с прямоугольным и треугольным основанием (рис.4) со сравнительным анализом нагрузок при заданных параметрах крена.

Рис. 4. Схемы пирамидальных подвесок.

Результаты расчетов сведены в таблицу.

Нагрузки в элементах подвески грузовой стрелы

Без крена судна, форма нока прямоугольная Без крена судна, форма нока треугольная Крен судна 5 ° стрела || диаметральной плоскости, форма нока прямоугольная Крен судна 5 стрела || диаметральной плоскости, форма нока треугольная Крен судна 5 стрела -1-диаметральной плоскости, выведена за борт обратный крену, форма нока прямоугольная Крен судна 5 стрела -'диаметральной плоскости, выведена за борт обратный крену, форма нока треугольная

' 3,75 3,77 3,84 3,84 л и 1 3,84

2 3,75 ! 3,77 2 3,64 3,65 II 3,84

3 3,75 3,77 3,64 Л н й|а 3,69 3,7

4 3,75 3,77 и 21° II 4 3,69 3,7

Установлено, что подвеска с треугольным основанием обладает большей устойчивостью при изменении крена судна.

При перевозке водным транспортом все большее распространение

получает размещение изделий машиностроения на транспортных платформах. Значительный объем работ связан с перемещением платформ внутри судового трюма. На основании модульного принципа решены траекторная и позиционная задачи.

Обе задачи решаются с помощью геометрической модели, представленной в матричном виде на базе однородных координат. Радиус-вектор базовой точки М с У;*2» заданными в системе координат груза Я,, может быть представлен в следующем виде Рис. 5. Системы координат 5,и (рис.5).

Модель системы транспортирования крупногабаритных тяжеловесных грузов внутри судового трюма (рис.6) дает возможность определить действительное положение базовых точек перемещаемого груза в выбранной системе координат, а также интервалы изменения позиционных параметров подвеса груза.

Рис. 6. Параметры перемещения платформы.

а = агссоБ

Р = агссоБ

у = агссоз

(

3 = агссо£

(а-Дд)2-Д12 + с-+/12 (2а~Аа)2

(Ь-АЬ)2 - Р21 +(1г +/22 (2Ь -ЛЬ)1

(га-Ад)2-Р12+с2+/12 (2Ь-АЬ)г -Р22 +(12 +/22

а2

Углы поворота платформы вокруг осей ОХ и OY

<р = - {т]\ + tfi) = (rfl - ij\) cos^r, -su^J.

Таким образом, рассчитывается беспрепятственное перемещение платформы с грузом по заданной траектории.

Третья глава содержит материал по разработке математической модели контактной пары фрикционных грузозахватных приспособлений. Приведены результаты экспериментальных исследований, выработаны предложения по усовершенствованию технологии грузовых операций.

Для различных видов фрикционных грузозахватных приспособлений судовых кранов получены формулы расчета сил зацепления, передаточных функций и сил нормального давления.

Передаточная функция клиновой пары зависит от коэффициента трения распорного элемента о клин (рис. 7)

и = (cos а — f.ix sin a) /(sin а + cos а)

Сила нормального давления ^ _ Qr cos а — /г, sin а п sin а + cos а'

где п - число распорных элементов. Максимальная грузоподъемность

такелажных струбцин с неподвижным контактным элементом ограничивается 2,5 т. В связи со значительным увеличением общей массы крупногабаритных металлоконструкций,

перевозимых морским транспортом, такая грузоподъемность недостаточна. Увеличение грузоподъемности такелажных струбцин обеспечивается путем установки подвижного клинового контактного элемента (рис. 76).

Рис. 7. Расчетная схема

Клиновый контактный элемент имеет рабочую и опорную поверхности. Опорная поверхность выполняется под углом а к направлению перемещения груза. Когда величина силы нормального давления N окажется недостаточной для обеспечения удерживания груза силами трения, груз начнет перемещаться по направлению оси Y, вовлекая в движение клиновый контактный элемент «включающей» силой Рв.

Решением системы уравнений равновесия получено аналитическое выражение величины «включающего» усилия Рв:

_ F7[(eosa-f2+sma)-(eosа• /, -sin« /, •/-,)]

Л

Условие самозатягивания клинового контактного элемента выполняется, если величина коэффициента трения на его рабочей поверхности /[ больше, чем на опорной наклонной поверхности /2.

Величина силы удерживания Fl определяется из условий равновесия клинового контактного элемента при гарантии самозатягивания.

N-(sina+tgp2 -cosa)

^ =-1-:->

eos a-tgp2 ■ sino:

где р2 - критический угол трения пары клиновый контактный элемент — корпус струбцины.

Необходимая для удерживания груза сила нормального давления N

N> Р*К> .

tgP + tg(a+p2)

Вьшолненные расчеты показывают, что такелажная струбцина с подвижным клиновым контактным элементом обладает повышенной надежностью в эксплуатации при сравнительно незначительном запасе силы нормального давления.

На значение величины сдвигающей силы Р могут оказывать влияние следующие независимые факторы: величина силы радиус вершины зуба г; шаг зубьев насечки контактного элемента í; твердость Т поверхности

15

материала. Для определения зависимости использовался метод, предложенный Ю.А.Евдокимовым, В.И.Колесниковым и А.И.Тетериным, основанный на научном планировании в проведении многофакторного эксперимента. Для осуществления эксперимента была разработана экспериментальная установка (рис. 8), где 1 - образец материала груза;

2 - контактные элементы с насечкой; 3,4,6 - толкатели; 5 -динамометр ДОСМ-5; 7 -динамометр ДОСМ-3; 8 - винт; 9 - корпус установки^/ - сила нормального давления; Р -сдвигающая сила.

Функциональная зависимость между сдвигающей силой Р и рассматриваемыми факторами определялась в виде

Р = СТаїргг№.

Рис. 8. Схема экспериментальной установки.

где С - постоянный коэффициент.

В окончательном виде после определения малозначащих факторов получены следующие формулы:

Р = 4.1355

№

М:

2.0678

уіО.1261 _ д^0.0756 '

После выполнения количественной и качественной оценки полей остаточных напряжений и деформаций, возникающих в металлоконструкции в районе отпечатка зуба насечки, и влияния отпечатков от насечки грузозахватных устройств на статическую прочность перемещаемых металлоконструкций можно принять решение о возможности выполнения грузовых операций с применением такелажных струбцин с подвижным клиновым контактным элементом.

Более совершенными являются спроектированные на основе такелажных струбцин фрикционные рычажно-эксцентриковые грузозахватные приспособления, которые обладают дополнительным зажатием груза эксцентриком (рис. 9).

Рг

*

Необходимая сила нормального давления N определяется формулой

M'^z"

а + -

2-с cosa

Ту :>Т\ Ґ- '

' А f f t.i N /

\ J N

Т/ tL''

..... IV

1 V

2c/cosa | а

г.

íHJ

\

\¡ /

где а,Ь , с - плечи сил, приложенных к эксцентрику. Надежное удерживание груза приспособлением обеспечивается при условии /к„ < ——,

пзап

где П3ап - коэффициент запаса трения;

Рис. 9. Фрикционное рычажно- / — коэффициент трения пары эксцентриковое приспособление, контактный элемент - груз.

Профиль эксцентрика определяется графоаналитическим методом, что позволяет обеспечить равномерное распределение силы N на контактные элементы приспособления независимо от толщины зажимаемого груза. Конструкция фрикционного грузозахватного приспособления с кольцом принудительной отдачи ГЗУ-5 (рис. 10) позволяет применять дистанционное управление. После постановки груза 1 на устойчивую поверхность и прекращения воздействия на рым 2 подъемной силы Ргр корпус приспособления 3 освобождается от нагрузок, через кольцо принудительной отдачи 4. В результате, вращаясь на оси 5, эксцентрик 6

высвобождает захваченную часть груза 1.

17

нН / У 4

У щ ' \

\

Фі

Рис. 10. ГЗУ-5

Четвертая глава посвящена совершенствованию технологии грузовых операций путем введения элементов с повышенной функциональностью, таких как фрикционные грузозахватные приспособления и пространственные подвески. На основании предложенной автором методики совместно с судоходной компанией ОАО «Архангельский речной порт» был осуществлен транспортно-технологический эксперимент по перегрузке ячеистых крупногабаритных металлоконструкций с морских судов на баржи плавкраном №529 в устье реки Нгарка-Пыряяха (Большая Щучья).

Рис. 11. Схема эксперимента.

По результатам эксперимента и расчета экономического эффекта ОАО «Архангельский речной порт» внедрило в производственную деятельность предложенную технологию. Экономический эффект был получен за счет сокращения времени на обработку груза, уменьшения количества персонала, повышения безопасности труда.

Запатентована принципиально новая конструкция грузовой подвески (рис.12), где направляющие блоки 1 и 2 и уравнительные блоки 3 разнесены как в плоскости, так и из плоскости стрелы и имеют определенные углы схода каната. При повороте стрелы груз силами инерции отклоняется из плоскости стрелы и закручивается. При закручивании подвеса груза блоки 5 стремятся вращаться в разные стороны, но так как они связаны с осью б

На рис. 11 изображена транспортно - технологическая схема эксперимента, где: 1 -водная акватория; 2 - дно; 3 -судно; 4 - груз; 5 - плавкран; 6

- ягсорные канаты; 7 - якоря; 8

- плавучие кранцы; 9 - баржа; 10 - буксирный катер «Миля».

крутильные колебания затухают. Гашение колебаний груза в плоскости стрелы происходит благодаря вращению блоков 2,3,4.

Рис. 12. Двухканатная подвеска. Рис. 13. Одноканатная подвеска.

Альтернативой двухканатной схеме является одноканатная конструкция грузовой подвески (рис.13) с двумя нагрузочными и одним отклоняющим блоками. Ноковая часть стрелы рамного типа выполнена в форме треугольника. Сравнительный анализ нагрузок, зависящих от формы основания, представлен во второй главе диссертации, и является реализацией принципа пирамидальной устойчивости в запатентованных грузовых подвесках

Заключение. Проведенными диссертационными исследованиями получены следующие результаты.

1. Получен патент №102356 на одноканатную грузовую подвеску стрелы и положительное решение на заявку об изобретении на двухканатную грузовую подвеску стрелы. Выдача патента ожидается.

2. Установкой на ноке стрелы отклоняющих блоков уравнительного полиспаста достигнуто уменьшение амплитуды поперечного и продольного раскачивания груза.

3. Разработана математическая модель расчета траектории движения и действующих нагрузок в аналитическом и матричном виде для операции перемещения крупногабаритных тяжеловесных грузов внутри судового трюма.

4. Разработана методика расчета линейных параметров и нагрузочных характеристик элементов У-образных пространственных подвесов груза в виде системы алгебраических уравнений.

5. Определен алгоритм расчета сил взаимодействия в контактирующей паре рабочих поверхностей фрикционного грузозахватного приспособления и крупногабаритной металлоконструкции.

6. Скомпонована экспериментальная установка, моделирующая процесс захвата и удержания груза фрикционными устройствами.

7. Осуществлены натурные, модельные и технологические эксперименты с элементами оснастки судовых грузоподъемных устройств и технологией их практического использования.

8. Определен коэффициент влияния насечек от фрикционного захвата для материалов, из которых изготавливаются крупногабаритные металлоконструкции.

9. Экспериментом доказана целесообразность использования не применяемых ранее в грузовых операциях фрикционных захватных приспособлений с кольцом принудительной отдачи.

10. Технологическим экспериментом доказана возможность повышения производительности и безопасности труда такелажников исключением работы на высоте при использовании фрикционных грузозахватных приспособлений.

11. Усовершенствована технологическая карта грузовых операций с крупногабаритными металлоконструкциями. Технологический цикл обеспечен ускоренным захватом и освобождением груза, быстрым и устойчивым перемещением груза внутри трюма и до палубы вспомогательного плавсредства.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Морозов A.C. Математическая модель системы транспортирования изделий судового машиностроения внутри корпуса судна в процессе его строительства и ремонта. / A.C. Морозов, C.B. Марков, М.П. Худяков // Эксплуатация морского транспорта. - Санкт Петербург, 2009. - №3(57). -С 51-56.

2. Руденко A.B. Математическое моделирование взаимодействия контактирующей пары фрикционного грузозахватного устройства. /А.В.Руденко, А.С.Морозов, Д.Ю.Гневашев, А.И.Бабкин, С В. Map ко в // Эксплуатация морского транспорта. — Санкт Петербург, 2009. - №3(57). -С 62-67.

3. Руденко A.B. Использование фрикционных грузозахватных приспособлений при перегрузке крупногабаритных металлоконструкций судовыми грузовыми устройствами / А.В.Руденко, С.В.Марков // Транспорт. Наука, техника, управление. - Москва, 2009. - №12. - С. 3741.

4. Марков C.B. Об использовании фрикционных грузозахватных приспособлений при обработке крупногабаритных металлоконструкций и изделий из железобетона / С.В.Марков. А.В.Руденко // ежегодная научно-техн. конф. ППС и курсантов. (12-13 февр. 2009 г., г. Архангельск)., ГМА имени адмирала С.О. Макарова. - СПб, 2009. - С. 82-85.

5. Марков C.B. Влияние изменения конструкции ноковой части стрелы поворотного крана на нагрузки в элементах подвески.Транспорт. Наука, техника, управление. /С.В.Марков / - Москва, 2011. - №1. - С. 48-51.

6. Пат. 102356 Российская Федерация, МПК (51). Подвеска грузовой стрелы / Руденко A.C., Марков C.B.; заявители и патентообладатели. Архангельск; заявл. 29.09.2010; опубл. 27.02.2011, бюл. №6.

7. Марков C.B. Основные направления совершенствования технологий

грузовых операций при доставке грузов в портопункты Северного

бассейна / С.В.Марков // Секция Арктического морского института имени

21

B.И. Воронина «Региональная наука как основа развития морской деятельности Архангельской области» ежегодной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и курсантов ФГОУ ВПО «Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова»: Тезисы докладов, (февраль - март 2011 г. Санкт Петербург, Архангельск). - СПб: Северная звезда. 2011. С -517-523.

8. Михайлов В.Е. Влияние изменения конструкции ноковой части стрелы на нагрузки в элементах подвески. / В.Е.Михайлов, С.В.Марков. Эксплуатация морского транспорта. - Санкт Петербург, 2011. - №3(65). -

C. 41-45.

9. Марков C.B. Одноканатная грузовая подвеска, применяемая в судовых устройствах при перегрузке груза на открытом рейде / С.В.Марков, А.В.Руденко // XXXIX Ломоносовские чтения. Арктический вектор развития России. Сборник докладов. Инженерно-технические направления. (18-19 ноября 2010 г., г. Северодвинск). - Северодвинск. 2011.-С. 110-114.

10. Марков C.B. Двухканатная грузовая подвеска судового устройства, предназначенная для гашения колебаний груза при выполнении погрузочно-разгрузочных работ / С.В.Марков. А.В.Руденко // XXXIX Ломоносовские чтения. Арктический вектор развития России. Сборник докладов. Инженерно-технические направления. (18-19 ноября 2010 г., г. Северодвинск). - Северодвинск. 2011. - С. 114-118.

Арктический морской институт имени В. И. Воронина филиал Федерального бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственная морская академия имени адмирала С. О. Макарова» в городе Архангельске

Отпечатано 30.03.2012 Тираж 100 экз.

61 12-5/2604

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О. МАКАРОВА

УДК 629.5.4; 621.8.6 На правах рукописи

МАРКОВ Сергей Валентинович

НОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГРУЗОВЫХ ПОДВЕСОК СУДОВЫХ КРАНОВ И ТЕХНОЛОГИИ РЕЙДОВОЙ ГРУЗООБРАБОТКИ

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Михайлов Владимир Евгеньевич

Санкт Петербург - 2012

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

Глава 1. Аналитический обзор современных технологических методов логистики и характерные особенности выполнения грузовых операций в морях северного бассейна............................................................................11

1.1. Транспортная активность Северного морского пути в 2000- 2020 гг.....11

1.2. Определение роли порта Архангельск как одного из узловых элементов арктической транспортной системы.............................................................14

1.3. Анализ эволюции морской техники (судов), способных осуществлять каботажные перевозки с перегрузкой на плавсредства в условиях открытых рейдов.............................................................................................17

1.4. Особенности рейдовых грузовых операций и подготовки к ним.............22

1.5. Технологии грузовых операций на открытых рейдах Северного бассейна...........................................................................................................27

1.6. Оснастка и такелажное вооружение судовых грузоподъемных устройств.........................................................................................................34

Выводы по главе. Постановка целей и задач исследования............................43

Глава 2. Математические модели грузовых подвесок и расчетные методики определения нагрузок и основных характеристик элементов судовых кранов.............................................................................................................45

2.1. Колебания груза на подвесе..........................................................................45

2.2. Кинематические и динамические характеристики колебательного движения груза при различных способах подвеса......................................52

2.3. Методика расчета нагрузок в элементах трапециевидных подвесок с прямоугольным основанием..........................................................................58

2.4. Сравнительный анализ нагрузок, действующих в элементах трапециевидных подвесок с различной формой основания......................65

2.5. Пространственное перемещение грузов на технологических платформах внутри корпуса судна.....................................................................................80

Выводы по главе...................................................................................................88

Глава 3. Фрикционные грузозахватные приспособления судовых кранов. ...89

3.1. Такелажные струбцины................................................................................89

3.2. Определение коэффициентов взаимодействия контактирующих пар на основе экспериментального анализа............................................................96

3.3. Применение рычажно-эксцентриковых приспособлений для крупногабаритных металлоконструкций...................................................104

Выводы по главе.................................................................................................114

Глава 4. Совершенствование оснастки судовых кранов и технологии грузовых операций с перспективными видами грузов.............................115

4.1. Технологический эксперимент по использованию грузозахватных приспособлений ГЗУ-5................................................................................115

4.2. Новая конструкция грузовой подвески.....................................................125

4.3. Усовершенствованные технологические процедуры грузовых операций........................................................................................................134

Выводы по главе.................................................................................................138

Заключение..........................................................................................................140

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................142

Приложение А. Грузооборот порта Архангельск 2009-2010 гг. и серии судов в период с 1949 по н.в. осуществлявшие массовые перевозки из порта.............................................................................................................154

Приложение Б. Альбом иллюстраций о способах расстановки судов, плавсредств и вспомогательной техники.................................................156

Приложение В. Термины и определения, принятые Российским морским регистром судоходства для судовых грузоподъемных устройств........161

Приложение Г. Графический обзор конструкций судовых поворотных кранов...........................................................................................................163

Приложение Д. Формула патента на полезную модель №102356 «Подвеска грузовой стрелы»........................................................................................173

Приложение Е. Районирование территории Российской Федерации по расчетному давлению ветра......................................................................176

ВВЕДЕНИЕ

Арктический регион нашей планеты представляет собой крупнейший в мире пояс, насыщенный месторождениями - гигантами природных ископаемых минералов. Российский Арктический шельф является богатейшим нефтегазоносным бассейном мира, вмещающем не менее 100 миллиардов тонн условного топлива в нефтяном эквиваленте [82]. Выполненный Всероссийским научно-исследовательским институтом океанологии [21] системный анализ размещения и масштабов добычи минеральных ресурсов Арктической зоны России убедительно показывает, что в условиях меняющейся геополитической ситуации резко возрастает роль освоения арктических недр. В ближайшем будущем предстоит внушительная деятельность по дальнейшему освоению арктических пространств в зоне стратегических интересов России. Разработка государственными акционерными обществами ОАО «Газпром», ОАО «Роснефть» и другими негосударственными нефтегазовыми компаниями не просто новых крупных месторождений, но целых регионов, к сегодняшнему дню уже превратилась в проблему, напрямую связанную с энергетической безопасностью не только нашего государства. Решение поставленных стратегических задач предстоит реализовывать в условиях дефицита финансовых ресурсов, обусловленных мировым финансовым кризисом, а также дефицита времени.

Поскольку большая часть технологического оборудования,

строительных материалов и прочих грузов для освоения арктических

береговых и шельфовых месторождений завозится морским транспортом,

повышение эффективности работы флота является приоритетным

направлением. В силу отсутствия на этих территориях обустроенных портов,

перегрузка осуществляется на открытых рейдах, как правило, штатными

грузовыми устройствами морских судов неограниченного района плавания

на суда небольшого тоннажа или другие плавсредства [3]. Выполнение этих

работ силами экипажа является трудоемкой операцией, сопряженной со

сложными северными погодными условиями и необходимостью

5

неукоснительного соблюдения норм безопасности. К сожалению, негативное влияние оказывает также сильный технический износ флота. За последние 20 лет не было построено ни одного судна, приспособленного для выполнения грузовых операций в условиях открытых рейдов Северного бассейна [39].

Недостаток морских судов компенсируется использованием плавсредств прибрежного плавания, например, судов типа река-море. Такие транспортные схемы таят в себе опасность возникновения аварийных ситуаций, подобных событиями 11 ноября 2007 г., когда во время шторма в районе морского порта "Кавказ" в зоне Керченского пролива произошло крушение четырех судов: танкера "Волгонефеть-139", сухогрузов "Вольногорск", "Нахичевань" и "Ковель". Танкер "Волгонефть-123" с грузом мазута получил серьезные повреждения корпуса. В результате этих аварий 6 человек погибли, 11 пропали без вести. В воду попало около 7 тыс. т серы и от 1,5 до 2 тыс. т нефтепродуктов. Сходные события произошли осенью 1976 года, когда в Янеком заливе моря Лаптевых вследствие неблагоприятных погодных условий произошло сразу несколько кораблекрушений, повлекших гибель людей.

Отечественными судоходными компаниями за последние годы построены суда, способные работать в Арктике, однако они имеют дедвейт более 20 тыс. тонн и ориентированы на перевозки нефти и нефтепродуктов (ОАО «Лукоил-Арктик-Танкер», ОАО «Совкомфлот»), а также для собственных нужд (ОАО «ГМК «Норильский Никель»). Все эти суда не предназначены для доставки генеральных грузов, в том числе тяжеловесов, в портопункты с открытыми рейдами.

Нет такого флота и на мировом фрахтовом рынке. Обусловлено это отсутствием в других бассейнах сходных условий плавания. Номенклатура грузов также имеет существенное отличие. Так, например, рефрижераторные суда, приспособленные для рейдовых погрузок в необорудованных портопунктах Южно-американского и Африканского континентов, работают в погодных условиях намного более благоприятных.

6

При этом грузоподъемные устройства судов такого типа, как правило, отличаются небольшой грузоподъемностью [85]. Международные операторы, осуществляющие перевозки на этих линиях с данной категорией грузов, одними из последних отказались от оборудования стрелами вновь построенных судов. По мнению Бородина Е.Л. [9], Полякова А.Е. [62], при оборудовании судов кранами проблема раскачивания подвешенного груза при выполнении грузовых операций решается увеличением скоростей подъема и поворота стрелы, а также хода шкентеля.

Сходными являются способы выполнения грузовых операций при перемещении груза между буровыми платформами и судами снабженцами. Платформа либо закреплена стационарно, либо в силу своих внушительных размеров и особой формы корпуса не испытывает существенного крена под воздействием внешних сил и влияния подвешенного груза. Соответственно, шкентель с подвешенным грузом образует нормаль к поверхности воды при установке его над судном снабженцем. При повышенной скорости работы грузового устройства и наличии открытой грузовой палубы наиболее распространенного типа судна снабженца выполнение грузовых и вспомогательных работ становится возможным даже при неблагоприятных погодных условиях. Анализ конструкций судовых поворотных кранов различных производителей приведен в Приложении А.

Иные условия сопровождают грузовые работы в условиях открытых рейдов арктических морей. Совершенствование технологии перегрузочных работ с одного судна на другое в условиях открытых и мало защищенных рейдов - это всестороннее повышение безопасности, уменьшение трудоемкости и сроков проведения грузовых операций.

Значительная часть грузов, перевозимых для нужд разведки и освоения месторождений, являются тяжеловесными, имеющими общую массу брутто более 10 тонн. Строительство гидротехнических сооружений, различных опор для пролетных строений мостов, нефтегазопроводов, линий электропередач и т.д. в условиях слабых грунтов и короткого теплого периода Заполярья требуют особого подхода. В том числе, для возведения

7

некоторых глубоководных фундаментов используются крупногабаритные конструкции из металла и бетона [78]. В качестве примера можно привести опыт норвежской компании Statoil Hydro, примененный при возведении причальных сооружений на острове Меланд, на которых был построен завод по сжижению природного газа с месторождения Sn0hvit. Основа причала была возведена из кольцевых конструкций диаметром 19 м, изготовленных из стальных листов, и заполненных скальным грунтом, при глубине воды в среднем 10 метров [57]. При монтаже металлоконструкций использовались фрикционные грузозахватные приспособления грузоподъемностью 10 тонн.

К сожалению, в Российской Федерации такие технологии не имеют широкого распространения. Как правило, при грузовых операциях с металлоконструкциями используются приварные обухи [99]. Штатных такелажных точек в схемах погрузки и перемещения груза может быть недостаточно, или они вовсе отсутствуют. Использование приварного обуха сопряжено со значительным расходом материала на его изготовление и приварку, трудоемкостью изготовления, установкой и последующим демонтажем. Отрицательные температуры окружающего воздуха при выполнении строительных и грузовых работ являются также негативным фактором. Предстоящее создание морского порта в районе пос. Сабетта Ямальского района Ямало-Ненецкого автономного округа, в рамках реализации, придает вопросу особую актуальность [90].

Большое значение при работе транспортного флота, осуществляющего грузовые работы в условиях открытых рейдов арктических морей, имеет конструкция грузового устройства. От грузоподъемности, вида привода барабанов грузовых лебедок, типа устройств подъема и поворота стрелы напрямую зависит скорость перемещения груза с судна на плавсредство и наоборот. При этом необходимо учитывать такие факторы как бортовая и килевая качка. Амплитуды и периоды качки судна и плавсредств могут отличаться многократно. Разнорезонансная качка значительно усложняет соблюдение норм безопасности персонала и защиту груза от повреждений

при возможных ударах о судовые конструкции. Даже небольшое волнение может стать помехой для выполнения грузовых работ.

Имеющийся в наличии флот арктического и усиленного ледового плавания (НЭС «Михаил Сомов», суда типа СА-15) оснащены энергетическими установками мощностью значительно превышающей мощность энергетических установок для судов аналогичного тоннажа, предлагаемыми мировым фрахтовым рынком. При сложившемся уровне цен на судовое топливо коммерческая эксплуатация судов ледового класса в летний навигационный период и в неарктических районах мирового океана находится на грани рентабельности или становится убыточной и неконкурентоспособной. К этому фактору добавляется меньшая грузовместимость по сравнению с судами аналогичного тоннажа без ледового класса.

За последние годы, после почти 20-летнего относительного затишья, активизировались грузовые работы на открытых рейдах портов арктических морей. Только через порт Архангельск в 2008-2009 годах перевалено более 700 тыс. тонн арктических каботажных грузов различных видов. В соответствии с Транспортной стратегией Архангельской области до 2030 года прогнозируется увеличение годового грузопотока данных категорий. В 2011-2014 годах до 1 млн. 500 тыс. тонн с последующим увеличением до 3-4 млн. тонн [91]. Без научных разработок и ускоренного их внедрения в технологии перевозок и оптимизации всего технологического процесса этот грузопоток может быть не освоен. Также возросшая себестоимость перевозок может поставить под угрозу реализацию перспективных для России нефтегазовых и других проектов.

Становится очевидна актуальность научных исследований, направленных на совершенствование технологии доставки генеральных и тяжеловесных негабаритных грузов морским транспортом в портопункты арктических морей, имеющих открытые либо слабо защищенные рейды.

В данной работе исследованы технологические процессы доставки грузов морским и вспомогательным транспортом в необорудованные порты

9

северного бассейна. Рассмотрены способы захвата крупногабаритных конструкций, возможные принципиальные схемы судовых грузовых устройств различных типов. Представлен облик экспериментального судового крана, новая подвеска гаковой обоймы. Обоснованы требования, предъявляемые для грузового устройства многофункционального морского судна снабженца неограниченного района плавания, имеющего усиленный ледовый класс ЛУ-5 в соответствии с классификацией Российского морского

регистра судоходства.

В работе проанализированы методы прогнозирования перспективных грузопотоков, номенклатура грузов в направлении западного сектора Арктики. Произведено математическое моделирование сил взаимодействия контактной пары фрикционного грузозахватного приспособления при грузовых операциях с крупногабаритными металлоконструкциями. Рассчитана модель системы перемещения крупногабаритных конструкций в трюме судна в условиях плотной разно-коносаментной загрузки. Определено влияние изменения формы ноковой части стрелы рамного типа поворотного крана на нагрузки в элементах подвески.

Глава 1. Аналитический обзор современных технологических методов логистики и характерные особенности выполнения грузовых операций в

морях северного бассейна 1.1. Транспортная активность Северного морского пути в 2000 -

2020 гг.

Северный морской путь — это транспортная магистраль, созданная в первой половине 20-го века для решения комплекса национальных задач, в том числе задачи по вовлечению северных территорий в хозяйственный оборот. В послевоенный период объем грузов, перевозимых по Северному морскому пути (СМП), имел тенденцию постоянного роста. Из анализа данных по структуре перевозок [11], [56] можно сделать следующие выводы:

1) доля завозимых в Арктику грузов составляла 45-50% от общего

объема перевозок по СМП;

2) доля вывозимых в каботаже из Арктики морским путем грузов

составляла 25-30%.

Среди экспорта значительную часть занимали поставки леса из Иг