автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Определение условий стоянки толкаемых составов в камерах шлюзов с головной системой питания

X J 1

■■■„-■f у/ J**' /■-. . ■ > / .

' / / ' V

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций

Аспирант М.С. Лавриновский

Яо. о/39

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ СТОЯНКИ ТОЛКАЕМЫХ СОСТАВОВ В КАМЕРАХ ШЛЮЗОВ С ГОЛОВНОЙ СИСТЕМОЙ ПИТАНИЯ

Специальность 05.22.19: Эксплуатация водного транспорта

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент A.M. Гапеев Научный консультант: доктор технических наук, профессор Г.И. Мелконян.

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .....................................................................................4

Глава I. Современное состояние вопроса............................................ 7

1.1. Способы определения гидромеханического воздействия на суда в камерах судопропускных сооружений..............................................7

1.2. Взаимодействие судна со швартовными устройствами................18

1.3. Влияние сцепных устройств на взаимодействие судов толкаемого состава................................................................................... 22

1.4. Особенности условий стоянки судов и составов в камерах шлюзов с головной системой питания по данным натурных исследований ........ 29

1.5. Выводы по обзору работ и постановка исследований..................... 31

Глава П . Лабораторные исследования условий стоянки толкаемого состава при наполнении камеры шлюза с головной системой питания....................34

2.1. Цели и задачи исследований.................................................... 34

2.2. Описание конструкций моделей шлюза и судов........................... 34

2.3. Методика исследований и измерительная аппаратура . Состав

лабораторных опытов...................................................................38

2.4 .Методика обработки лабораторных данных................................. 43

2.5.Результаты опытов и их анализ..................................................48

2.6. Экспериментальное определение коэффициента затухания продольных угловых колебаний судна в камере шлюза...................................55

2.7. Методика выбора размеров кольца тензометрического датчика при измерении нестационарной внешней силы...................................... 61

Глава Ш . Теоретические исследования условий стоянки толкаемых составов в камерах шлюзов............. ................................................ 67

3.1. Математическая модель связанных колебаний воды и толкаемого состава в камере шлюза............................................................ 67

3.2. Решение задачи численными методами..................................... 77

3.3. Определение характеристик вертикальных и продольных угловых колебаний судов при упрощенной постановке задачи.........................88

3.4. Влияние нелинейности свободной поверхности воды на оценку условий стоянки составов и одиночных судов............................ ......96

3.5. Закон изменения скоростной составляющей продольной гидродинамической силы, действующей на толкаемый состав..............107

3.6. Сопоставление результатов теоретических и лабораторных исследований...........................................................................110

3.7. Приближенное определение первого пика волновой составляющей гидродинамической силы, действующей на толкаемый состав............. 132

Глава IV. Работа швартовных канатов при стоянке судов в камерах шлюзов...................................................................................... 137

4.1. Общие положения............................................................... 137

4.2. Определение усилий в стальных швартовных канатах................. 138

4.3,Определение усилий в синтетических и растительных швартовных канатах..................................................................................144

4.4. Приближенное определение первого экстремального усилия в швартовном канате.....................................................................151

4.5. Некоторые результаты расчетов усилий в швартовных канатах........157

4.6. Применение методов теории вероятностей и математической статистики к оценке условий стоянки судов в камерах шлюзов...............191

Заключение................................................................................ 194

Список литературы.......................................................................198

Введение

Внутренний водный транспорт занимает важное место в транспортных системах подавляющего большинства стран с развитой экономикой. В некоторых странах, например в Германии, он является приоритетным ввиду высоких экономических, эксплуатационных и экологических показателей. Благодаря определенным технико-экономическим особенностям, он имеет ряд преимуществ перед железнодорожным и автомобильным транспортом: низкую себестоимость доставки массовых навалочных и наливных грузов, низкие эксплуатационные расходы на содержание пути, меньшие затраты металла на создание 1т грузоподъемности, малую эмиссию вредных веществ в окружающую среду.

На территории стран СНГ насчитывается более 110 тысяч рек и озер общей протяженностью порядка 4 млн. км, значительная часть которых может быть использована для судоходства. Протяженность эксплуатируемых водных путей составляет 150 тыс. км. Особое внимание уделяется развитию шлюзованных водных путей, по которым перевозится свыше 80% всех грузов.

Европейская часть России пронизана магистральными артериями Единой глубоководной системы (ЕГС), соединяющей пять морей: Азовское, Балтийское, Белое, Каспийское и Черное. Создание ЕГС стало возможным благодаря строительству соединительных судоходных каналов (Беломорско-Балтийского, Волго-Донского , Волго-Балтийского и канала им. Москвы) и возведению крупных комплексных гидроузлов на реках Европейской части России. Создание ЕГС существенно повлияло на структуру флота и условия плавания судов. Возросла грузоподъемность судов и увеличилась дальность перевозок, значительная часть которых стала выполняться судами смешанного (река-море) плавания.

Образование ЕГС привело к значительному увеличению пропускной способности внутренних водных путей, улучшению экономических и эксплуата-

ционных показателей работы флота, а также повышению роли речного транспорта в транспортной системе России.

Однако, пропускная способность шлюзованных водных путей в значительной мере зависит от пропускной способности шлюзов, которая далеко не всегда соответствует интенсивности судопотока. Немаловажную роль здесь играет и то обстоятельство, что структура флота претерпела существенные изменения после того, как уже было построено большинство шлюзов. Разумеется, в проектных решениях шлюзов учитывались перспективы увеличения грузоподъемности судов и интенсивности судоходства, но принятые меры оказались недостаточными . Поэтому , в бьефах гидроузлов часто скапливается большое количество судов, ожидающих шлюзования, что приводит к увеличению материальных потерь, связанных с вынужденными простоями судов.

Таким образом, проблема увеличения пропускной способности шлюзов при обеспечении безопасности судопропуска является одной из наиболее актуальных для судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания.

Одним из наиболее важных направлений решения указанной проблемы является ускорение наполнения (опорожнения) камеры шлюза. Анализ экспериментальных исследований показывает, что гидромеханические процессы, сопровождающие шлюзование судов, до сих пор изучены недостаточно полно. Теоретических исследований условий стоянки толкаемых составов в камерах судоходных шлюзов пока не проводилось, несмотря на то, что их доля в структуре транспортного флота России превысила на отдельных магистралях 50%. Ряд задач, связанных с шлюзованием судов любых типов, требует дополнительных исследований. Например, слабо изучена работа швартовных канатов, хотя именно обеспечение их прочности гарантирует безопасное шлюзование судна.

Практика показывает, что наиболее неблагоприятными являются условия стоянки судов при наполнении камер шлюзов с головной системой питания. Такой системой оборудованы около 140 из 160 шлюзов, действующих на внут-

ренних водных путях России и стран СНГ. Учитывая сказанное, представляется актуальным исследовать условия стоянки толкаемых составов при наполнении камер шлюзов с головной системой питания.

В настоящей работе поставленная задача решается путем проведения лабораторных и теоретических исследований. Выполнен анализ существующих методов определения гидромеханического воздействия на шлюзуемые суда, рассмотрены конструкции сцепных устройств, работа швартовных канатов и основные особенности условий стоянки сухогрузных судов и составов в камерах шлюзов с головной системой питания. Экспериментально исследованы условия стоянки двухзвеяьевого кильватерного состава в камере типового шлюза Волго-Балтийского канала. Разработана математическая модель связанных колебаний воды и двухзвеньевого кильватерного состава в камере шлюза. Предложены содержательные и соответствующие им математические модели стальных и неметаллических швартовных канатов, а также методика оценки условий стоянки судов и составов в камерах шлюзов, основанная на методах теории вероятностей и математической статистики . Получены зависимость для определения скоростной составляющей гидродинамической силы и аналитические решения некоторых важных частных задач.

По теме диссертации опубликовано 5 работ [106,119-122].

Диссертация состоит из введения , четырех глав , заключения и списка использованной литературы ; содержит 130 страниц основного текста , 4 таблицы и 79 рисунков.

Глава I. Современное состояние вопроса

1.1. Способы определения гидромеханического воздействия на суда в камерах судопропускных сооружений

Первые лабораторные и теоретические исследования гидромеханического воздействия на шлюзуемые суда были выполнены в начале XX в. немецкими учеными Г. Креем, Г.Блазиусом и Р. Винкелем [1]. Ими были получены формулы для определения толкающей силы (вследствие удара воды о корпус судна), силы подсасывания (вследствие понижения уровня воды у верхней головы шлюза) и волновой силы. Однако, использование полученных формул возможно лишь в случае мгновенного открытия затвора, не применяющегося в настоящее время на практике.

Существенный шаг в разработке вопроса, определивший направление дальнейших исследований, был сделан В.М.Маккавеевым [2]. Он применил уравнение механики переменной массы к одномерному потоку жидкости и в результате получил уравнение:

где I - отметка свободной поверхности на абсциссе х; <2 - расход воды в момент времени г1 на абсциссе х;

со -площадь живого сечения камеры без учета стеснения ее корпусом судна;

® - площадь мидель-шпангоута судна;

и - средняя скорость течения воды в сечении на абсциссе х;

Хк >Хс~ смоченные периметры камеры и судна;

Ск, Сс - коэффициенты Шези для камеры и для судна.

сЬ 0 д ( (?) и2 '

(1.1.1)

(Лх дх^о)-®} т-®\с1 С,

Если в левой части уравнения (1.1.1) заменить полную производную по х на частную, то получится известное уравнение Сен-Венана. Это объясняется тем, что В.М. Маккавеев при выводе уравнения (1.1.1) предложил рассматривать функцию г, как зависящую только от х, хотя г является функцией двух переменных, х и

Приняв допущение о линейной зависимости распределения расхода по длине камеры

/

G = &

X

L

(1.1.1а)

к J

где LK - длина камеры шлюза;

Qo - расход в створе верхней головы шлюза, В.М. Маккавеев проинтегрировал уравнение (1.1.1) и, введя ряд коэффициентов, получил формулу для расчета гидродинамической силы, действующей на судно в течение всего процесса наполнения камеры

Р =

Qt

+

2 g(a>-®y

1 д( во

' L л2 ч. LK j

Qo

gdtUa-®)

ill

0

X

Xs

dx +

(a-®)"

¥„®Ql

ZK +Zc

yCK

i(

\2

2 g

2 ' r2

с J о

1

L

dx +

к

1

{<pt(co-®y CO'

/

¥K®QQ

2 g

1-b L.

i i 1+ xc-QILk

со-® wK) 4 с1(ш-®)ъ

1-

L

к у

(1.1.2)

где Ьс- длина судна;

Щн* ¥к ~ коэффициенты, учитывающие непостоянство перепадов уровня у торцевых оконечностей судна; (рс - коэффициент сжатия;

1

1

В.М. Маккавеев предложил простую формулу для определения волновой силы при мгновенном открытии затвора наполнения, ограничившись рассмотрением движения волны в камере до кормы судна:

р = ук(2цУ®

где к — коэффициент отражения волны у носа судна; Вк - ширина камеры шлюза;

кк — средняя глубина воды в камере на участке с судном, равная, по предложению В.М. Маккавеева

и - со~

К-

Вк -Вс

где В с — ширина судна, но, как позднее показал A.B. Михайлов [10]

со-®

В.М. Маккавеев не рассматривал случай постепенного подъема затвора наполнения, но отмечал, что прерывная волна при этом заменяется пологой волновой поверхностью, уклон которой зависит от приращения расхода воды, поступающей в камеру шлюза, во времени.

Исследованию условий стоянки плотов в камерах с головной системой питания посвящены работы С.В. Гулидова [3,4]. Он проинтегрировал уравнение (1.1.1.), выразив из него перепад уровней воды А1 между головой и

хвостом плота. Волновая составляющая определялясь C.B. Гулидовым по формуле:

где W- весовое водоизмещение плота.

Скоростную составляющую гидродинамической силы С.В.Гулидов определил как сумму сил остаточного сопротивления Рост и трения Ртр. Он отметил существенное влияние скоростной составляющей на величину гидродинамической силы, а также то, что при наполнении камеры шлюза с головной системой питания влияние силы остаточного сопротивления всегда больше, чем влияние силы трения. При опорожнении камеры первая сила больше второй, ввиду уменьшения средних скоростей течения перед плотом.

Формулы для определения гидродинамической силы, предложенные В.М. Маккавеевым и C.B. Гулидовым, не учитывают отражения волн от торцевых стенок камеры шлюза, что приводит к качественному отличию между натурными данными и расчетами, выполненными по этим формулам. Из сопоставительного анализа, сделанного В.В.Кононовым [5] следует, что при использовании этих формул можно получить значение первого пика гидродинамической силы, близкое к действительному как по фазе, так и по абсолютной величине.

Приближенный учет колебаний водной поверхности, вызванных отражением волн от оконечностей камеры шлюза , был сделан М.А.Карасиным в работах [6, 7, 8]. Он предложил определять продольную гидродинамическую силу, действующую на судно, по формуле:

которая аналогична формуле (1.1.3).

Для нахождения перепада уровней между носом и кормой судна ЬХ

(1.1.3)

Р = у (8) AZ,

(1.1.4)

М.А. Карасин приближенно решил уравнения неустановившегося Д воды, предварительно введя в них некоторые эмпирические данные. Он учел волновые колебания с помощью коэффициента п , характеризующего амплиту-

дг

ду колебаний скорости изменения локального уровня —относительно скорода

д/г <20 г^

ста изменения среднего уровня — = —, где £2- площадь зеркала камеры

дt О

шлюза .М.А. Карасин приближенно принял ,что скорость изменения локального уровня равна

дг <20(л . 2яг л - и 1 + И5Ш—г

ы а

г

21

где т

к

- период колебаний локального уровня .

¡8

к

V

В

к У

В соответствии с принятыми допущениями, М.А. Карасин получил распределение расхода по длине камеры в виде

0х=Ос

V 2/г ' 1 + явт— /

и окончательную формулу для определения Р:

и

1 + я$тсЯ 2Qli^ + nsшotf

Ж

ёВк

V вку

Л-

И

\ к У

д.

\2

0

Вкк ,

+ к

У

(1.1.5)

1

где I] - расстояние от середины судна до нижних ворот ;

2я" _

сг=--частота колебании уровня ;

т

/?-коэффициент полноты водоизмещения судна ; тш<2о cos

к

h--

V BkJ

Из (1.1.5.) М.А. Карасин получил формулу для огибающих по максимумам и минимумам гидродинамических сил. Сопоставление натурных данных с расчетами по формуле (1.1.5.) показывает некоторое количественное сходство между пиками гидродинамических сил при малом стеснении поперечного сечения камеры корпусом судна, периоды же колебаний этих сил не совпадают. При больших стеснениях не совпадают ни экстремумы сил, ни периоды колебаний [5].

М.А. Карасиным была также получена формула для определения скоростной составляющей, где учитываются лобовое сопротивление и трение:

Pc=f

wVl-il а

c2r.

34 (Bh-®y

(1.1.6)

где х _ смоченная поверхность судна;

1Н, /^-расстояния от носа и кормы судна до нижних ворот.

A.B. Михайлов [9-12] использовал для расчета гидродинамических сил в течение всего процесса наполнения камеры уравнения одномерного неустановившегося движения воды в открытых водотоках, применив к их решению метод характеристик С.А.Христиановича [13]. Он предложил заменить находящееся в камере судно эквивалентным уступом и содержательная модель камеры шлюза с судном превратилась в короткий канал с участками, имеющими

V

постоянную глубину. Эквивалентные высота и длина уступа равны, соответст-

<8> W

венно,- и —.

вк ®

A.B. Михайловым также был предложен приближенный способ расчета первого пика волновой гидродинамической силы , основанный на применении формулы

dQ_M__ (LL7)

6 dt g(a) - ®)

dQ

где--приращение расхода поступающей в камеру шлюза воды на

dt

начальной стадии наполнения, принимаемое постоянным; D -коэффициент, учитывающий плановое положение судна.

Формула (1.1.7) получена в результате некоторой схематизации волновых процессов, но имеет простой вид, удобна для практических расчетов, дает удовлетворительную точность в определении первого пика волновой гидродинамической силы, который иногда бывает лимитирующим, и нашла широкое применение при предварительной оценке условий стоянки судов в камерах шлюзов с головной системой питания. Однако, лимитирующими чаще всего могут быт�