автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Оптимизация элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания

На правах рукописи

Михайлов Максим Юрьевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЬНО-ПАССАЖИРСКИХ ПАРОМОВ ВНУТРЕННЕГО ПЛАВАНИЯ

Специальность: 05.08.03 - Проектирование и конструкция судов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2004

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук,

профессор

В.И. Любимов

доктор технических наук,

профессор

В.А. Зуев

кандидат технических наук,

доцент

Ю.И. Рабазов

ФГУП ЦКБ "НПО "Судоремонт" (г. Нижний Новгород)

Занщгасостоится «/£» ¿Ул?*'А 2004 г. в /3 час. в ауДИ. тории 22/ на заседании диссертационного совета Д223.001.02 при Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, д. 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГАВТ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «/¿Р» „^^тА 2004 г.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета

кандидат технических наук, А.А. Кеслер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Принятая Правительством РФ федеральная целевая программа "Модернизация транспортной системы России (20022010 гг.)" предусматривает гармоничное развитие и тесное взаимодействие всех видов транспорта. Особо важное значение реализация этой программы имеет для регионов Сибири и Дальнего Востока, где в отсутствии железнодорожного сообщения основная нагрузка по перевозкам грузов и пассажиров ложится на речной и автомобильный транспорт. Отличительной особенностью транспортной системы Сибирских регионов является отсутствие на большинстве рек мостовых сооружений, что значительно сдерживает развитие автомобильных перевозок. В этих условиях крайне важное значение приобретает работа автомобильно-пассажирских паромов.

Паромные переправы предназначены для транспортного обслуживания экономических территорий, расположенных на противоположных берегах рек. Они являются одним из важных элементов транспортной системы страны, от надежной работы которой зависит бесперебойность перевозок грузов и пассажиров. По отчетным данным в навигацию 2000 года на реках и водохранилищах действовало 565 переправ. Особенно много их на реках Сибири и Дальнего Востока. Характерный пример значения речных переправ. Столица Республики Саха (Якутия) город Якутск является важнейшим транспортным узлом на реке Лена. В нем сходятся многие автомобильные, авиационные и водные транспортные линии. Здесь сосредоточены и речные переправы, осуществляющие связь транспортных потоков. Роль паромных переправ для деятельности города Якутска и прилегающих улусов левобережья трудно переоценить.

Самой загруженной является паромная переправа Якутск - Нижний Вестях, она обслуживает так называемое "южное" направление, ориентированное на базы в городах Томмот и Алдан, через которые идет снабжение не только южной, но и центральной группы улусов республики. Успешно работают переправы на реках Вилюй и Алдан. С приближением к Якутску Амуро-Якутской железнодорожной магистрали возрастет интенсивность работы паромных переправ.

Важная особенность работы паромных переправ - ограниченные сроки навигации. Они зависят от природно-климатических условий. Все мероприятия по увеличению сроков навигационного периода качественно влияют на экономику республики, соответственно снижая общее время обращения завозимой продукции, частично ликвидируя сезонную зависимость и оторванность республики от остальных регионов России. Важным шагом в направлении увеличения доходов по перевозкам пассажиров и мелкопартионного груза могло бы стать увеличение сроков работы пере-

прав. Этого можно добиться, используя паромы с ледовым подкреплением корпусов.

На эффективность работы паромных переправ влияет много факторов, но особую важность имеют вопросы обоснования новых типов судов, их элементов и характеристик. Правильное решение этих задач во многом определяет навигационные качества судов, их транспортную эффективность. При этом должны быть приоритетно учтены условия эксплуатации судов (протяженность линии, габариты судового хода, условия погрузки и выгрузки и т.п.), а также размеры транспортных средств, которые перевозятся на паромных переправах.

Для эффективного использования паромных переправ в условиях рыночной экономики необходимо обобщение опыта эксплуатации и проектирования автомобильно-пассажирских паромов, создание новых методов обоснования оптимальных элементов и характеристик этих судов.

Таким образом, разработка методов оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания является актуальной проблемой. Решение ее открывает возможность создания нового поколения судов этого типа, а также позволяет обеспечить дальнейшее развитие и повышение эффективности грузопассажирских перевозок на водном транспорте.

Цель работы и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка методов оптимизации элемешюв и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• структурный анализ архитектурно--конструктивных решений по паромам внутреннего плавания;

• обоснование требований эксплуатации к перспективным типам автомобильно-пассажирских паромов;

• разработка способа определения главных размерений автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания на начальных стадиях проектирования;

• анализ способов расчета составляющих нагрузки масс автомобильно-пассажирских паромов;

• разработка метода определения оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего шгавания;

• исследование на базе математической модели влияния проектных параметров паромов на технико-эксплуатационные и экономические показатели.

Объект и методика исследования. Объектом исследования в диссертационной работе являются автомобильно-пассажирские паромы, обеспечивающие перевозки автомобилей и пассажиров на внутренних водных путях.

Теоретической базой диссертационной работы являются научные исследования российских и зарубежных ученых и специалистов в области теории проектирования судов, теории оптимизации и математического моделирования.

При выполнении диссертационной работы использованы современные методы обоснования технико-эксплуатационных и архитектурно-конструктивных характеристик судов, статистического и математического анализа проектных данных автомобильно-пассажирских паромов, теория вероятности. Математическое моделирование осуществлялось на ЭВМ.

Предмет защиты. Основными положениями диссертации, выносимыми на защиту, являются:

• разработка метода оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания, существенной особенностью которого является вариантный анализ технико-эксплуатационных характеристик новых судов;

• анализ и адаптация существующих методов определения элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания для использования в рамках математической модели на стадии исследовательского проектирования;

• разработка структурного анализа архитектурно-конструктивных решений по автомобильно-пассажирским паромам, определение количественных показателей судов этого типа по проектным данным;

• обоснование требований эксплуатации к перспективным типам автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания;

• разработка способа определения главных размерений автомобильно-пассажирских паромов на начальных стадиях проектирования, пригодного для математического моделирования;

• разработка способа определения составляющих нагрузки масс, характерных для паромов на стадии проектного анализа;

• результаты анализа зависимостей влияния проектных параметров на технико-эксплуатационные и экономические показатели на базе разработанной математической модели выбора оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов.

Научная новизна. В процессе работы над диссертацией получен ряд новых научных результатов. Наиболее важным из них является метод оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания. Разработана математическая модель, охватывающая основные уравнения теории проектирования судов, необходимые на начальных стадиях проектирования.

Новые результаты, полученные в диссертации, включают в себя:

• структурный анализ архитектурно--конструктивных типов автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания;

• обоснование эксплуатационных требований к перспективным типам автомобильно-пассажирских паромов;

• способ определения главных размерений автомобильно-пассажирских паромов на начальных стадиях проектирования;

• формулы, позволяющие уточнить проектные параметры речных автомобильно-пассажирских паромов;

• способы расчета составляющих нагрузки масс автомобильно-пассажирских паромов с помощью эмпирических формул;

• • алгоритм и программа оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания.

Практическая ценность и внедрение. Практическая значимость диссертационного исследования обеспечивается прикладной направленностью и созданием конкретного программного продукта, приспособленного к применению в практике работы проектных и научно-исследовательских организаций. Разработанная в диссертации программа определения оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов использована Управлением водного транспорта Республики Саха (Якутия) при обосновании перспективных типов паромов для Ленского бассейна.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной памяти профессора Керичева В.М. в Нижегородском государственном техническом университете в 2002 г.; на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТа "Транспорт-21 век" в 2003 г.; на секции "Проблемы использования и дальнейшего развития внутренних водных путей России" на Международном форуме "Великие реки" в Нижнем Новгороде в 2003 г.; ш восьмой нижегородской сессии молодых ученых (технические науки) в Дзержинске в 2003 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 8 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 151 страницу машинописного текста, в том числе 9 таблиц, 41 рисунок. Список литературы состоит из 121 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности поставленной задачи оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания, а также обеспечения условий их эксплуатации. Сформулирована цель исследований и указаны направления работ, необходимых для достижения выбранной цели.

В первой главе диссертационного исследования рассмотрены основные проблемы современного этапа развития автомобильно-пассажирских паромов, связанные как с эксплуатационными и общепроектными аспектами, так и конкретными технико-экономическими задачами. Проанализированы работы, посвященные поставленным проблемам, и сформулированы цели исследования.

Обоснование архитектурно-конструктивного типа и проектных параметров судов - главная задача теории проектирования. Оно базируется на основополагающих трудах отечественных ученых-кораблестроителей, профессоров В.В. Ашика, А.В. Бронникова, Л.М. Ногида, В.М. Пашина, Б.А Царева и др.

Методологические вопросы определения главных размерений и водоизмещения автомобильно-пассажирских паромов, особенности их архитектуры и конструкции разработаны в трудах А.В. Бронникова, В.В. Ви-пинского, А.П. Страхова, Ю.А Будницкого и др.

При сравнительной оценке эффективности автомобильно-пассажирских паромов, обосновании их архитектурно-конструктивного типа важное место занимает выбор критериев комфортабельности судов. Этому вопросу посвящены работы Б.В. Басевича, Ю.А. Будницкого, А.Г. Чука-вина, А.В. Кузьменко, В.Н. Павлюченко.

Проблемам обоснования технико-эксплуатационных характеристик морских и речных автомобильно-пассажирских паромов посвящены исследования М.М. Азизова, А.Е. Агранова, Е.И. Киселевой, И.В. Шерстне-вой, Г.А Алчуджана, М.М. Костенко, В.А Евстифеева, Б.З. Леви, Л.Г. Соколова и других специалистов.

Особенности построения и использования экономико-математических моделей и методов оптимизации различных типов водоизмещающих судов рассмотрены в работах В.В. Ашика, В.М. Пашина, B.C. Дорина, В.Е. Солдатова, Б.А. Царева, А.И. Гайковича, Е.П. Роннова, В.И. Поспелова.

По назначению паромы можно разделить на пассажирские, автомобильно-пассажирские, железнодорожно-пассажирские, железнодорожно-автомобильно-пассажирские.

На внутренних водных путях получили распространение пассажирские и автомобильно-пассажирские паромы.

На паромах осуществляется перевозка автомобилей МАЗ-200, ЯАЗ-200, КамАЗ, ЗИЛ-150 и других марок. Погрузка и разгрузка автомобилей проходит своим ходом.

Как показал анализ, большинство эксплуатирующихся паромов построены в 70-80-х годах. Многие из них морально и физически устарели. Поэтому представляется актуальным проектирование и постройка новых речных паромов с учетом современных требований. Опыт эксплуатации переправ показывает, что новые суда должны иметь ледовые подкрепления для продления навигации, а также при необходимости возможность транспортировки в разобранном виде в районы эксплуатации.

Ведущая роль в создании речных и морских паромов принадлежит Нижегородскому АО "КБ "Вымпел". По его проектам построено большинство речных автомобильно-пассажирских паромов. В этом КБ разработан проект самого большого речного парома "Казань" на 30 автомобилей. Интересные работы в создании новых типов речных паромов выполнены Санкт-Петербургским "Инженерным центром судостроения" и Нижегородским ЦКБ "НПО "Судоремонт". По проекту Нижегородского ЦКБ "НПО "Судоремонт" в 1997 году АО "Красноярская Судоверфь" построила головной паром "Челнок-Г для работы на р. Чулым. Паром предназначен для перевозки пассажиров, автомобилей и разных палубных грузов обшей массой 25 т. Благодаря малой осадке и колесному движителю, паром может эксплуатироваться на реках с глубиной до 0,7 м. Отличительной особенностью нового судна является использование в качестве СЭУ двигателя трактора МТЗ-80. Использование упомянутой СЭУ и колесного движителя делает новый паром ремонтопригодным и простым в эксплуатации.

Анализ технико-эксплуатационных характеристик автомобильно-пассажирских паромов показывает, что грузоподъемность судов находится в пределах от 40 до 325 т. Водоизмещение в грузу изменяется в широких пределах от 95,3 до 1370 т, водоизмещение порожнем — от 53,1 до 1085 т. Масса судна порожнем, приходящаяся на одного пассажира, составляет от 0,93 до 11,14 т/чел., а масса, приходящаяся на один автомобиль- от 10,72 до 90,42 т/ед. Масса судна в грузу, приходящаяся на один автомобиль - от 18,5 до 109,3 т/ед. Отношение водоизмещения порожнем к водоизмещению в грузу находится в диапазоне от 0,45 до 0,83, а отношение водоизмещения порожнем к кубическому модулю ЬБИ в пределах от 0,16 до 0,31.

Главные размере ния паромов в зависимости от автомобилевместимо-сти изменяются в широких диапазонах. Длина по КВЛ паромов внутреннего плавания изменяется в пределах от 23,5 до 67,4 м, ширина по КВЛ -от 7,0 до 14,6 м, высота борта находится в пределах от 1,2 до 6,2 м, осадка по КВЛ - от 0,54 до 4,6 м.

Вторая глава посвящена изучению особенностей эксплуатации, исследованию вопросов обоснования архитектурно-конструктивного типа и элементов автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания.

В настоящее время наибольшее распространение получили паромы с продольным способом погрузки автомобилей. При этом автомобили въезжают на паром с носовой части, а выезжают - с кормы. Габаритные размеры проездов для автомобилей и другой техники составляют по ширине не менее 3,8 м. Использование принципа "прямого потока" при погрузке автомобилей наложило определенные особенности на конструкцию паромов. На многих судах их оконечности стали одинаковыми. СЭУ парома-челнока состоит из дизель-генератора и электродвигателей, установленных в каждой оконечности и работающие на гребные винты. Для работы таких паромов на берегу оборудуются специальные причальные. сооружения.

Анализ показывает, что автомобилевместимость речных судов не превышает 30 автомобилей. Из-за ограниченного количества перевозимых автомобилей речные паромы представляют собой однопалубные суда с открытой грузовой палубой и надстройками по бортам или в корме. Автомобили располагаются на главной палубе с возможностью въезда - выезда с оконечностей (проекты 736, 603, 314, 1625, 81400) или с бортов (проект ДО57). На коротких линиях используются паромы, челночного типа, обеспечивающие погрузку и разгрузку автомобилей по принципу "прямого потока" (проекты 736, 603, 314, 1625). Носовая и кормовая оконечности судов — транцевого типа. На малых реках используются паромы. с кормовым расположением надстройки и с носовой аппарелью (проекты ДО57, СП 1000, СП 40А, 81400). Данные суда эксплуатируются на мелководных реках Сибири и ими осуществляется перевозка небольшого количества автомобилей.

Опыт проектирования автомобильно-пассажирских паромов показывает, что расстояния между автомобилями находятся по ширине в пределах от 0,15 до 0,7 м и по длине судна от 0,3 до 1,0 м. Высота над проезжей частью у большинства паромов составляет величину от 3,2 до 4,3 м. Отстояния автомобилей от корпусных конструкций- от 0,3 до 0,7 м.

Выполненный анализ работы автомобильно-пассажирских паромов позволил сформулировать следующие требования эксплуатации:

1) на паромах целесообразно использовать продольный способ расположения автомобилей;

2) погрузка-выгрузка автомобилей должна осуществляться самоходом как с оборудованного, так и с необорудованного берега;

3) на магистральных реках, озерах и водохранилищах целесообразно использовать паромы-челноки с П-образной надстройкой, с въездом-выездом автомобилей по принципу "прямого потока", т. е. погрузка-

выгрузка автомобилей происходит через носовую и кормовую аппарели;

4) на паромах, работающих на малых реках, целесообразно использовать кормовое расположение надстройки, а въезд-выезд автомобилей осуществлять через носовую аппарель;

5) корпус судов должен иметь ледовые подкрепления для работы в условиях продленной навигации;

6) предусмотреть при необходимости возможность транспортировки паромов в разобранном виде в районы эксплуатации.

Анализ проектных параметров паромов показывает, что коэффициент утилизации водоизмещения по грузоподъемности находится в пределах от 0,1 до 0,5. Отношение длины главной палубы к длине по КВЛ Lrn/L - от 1,06 до 1,12. Отношение L/B - от 2,8 до 6,7. Отношение В/Т - от 2,5 до 17,9, Н/Т - в диапазоне от 1,4 до 2,6. Коэффициент общей полноты для паромов изменяется в пределах от 0,42 до 0,87. Данные проектные параметры использованы для разработки математической модели оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов.

Разработан способ определения главных размерений автомобильно-пассажирских паромов на начальных стадиях проектирования, основанный на решении уравнения пассажировместимости и автомобилевмести-мости.

Для определения главных размерений необходимо найти ширину и длину палубы парома, на которой размещаются автомобили (см. рис. 1). На рис. 2 приведена блок-схема определения главных размерений автомобильно-пассажирских паромов.

Данный способ предложен для однопалубных паромов, поскольку количество перевозимых автомобилей на внутренних водных путях ограниченно. Для определения главных размерений двухпалубных автомобильно-пассажирских паромов можно воспользоваться этой же методикой.

В третьей главе выполнен анализ особенностей расчета составляющих нагрузки масс, характерных для автомобильно-пассажирских паромов и предложен способ их расчета с помощью эмпирических формул.

с

Начало

I

3

Ширина и длина палубы парома, занятая авто мобилями:

ь.^зЩкИН+го.

Уравнение ■ пассаж ировместимости и -авто мобил евместимости парома: :325П+5И1

г

Суммарная полезная площадь палубы:

1 г

Площадь необходимая для размещения заданного числа пассажиров:

Площадь необходимая для

размещения заданного количества автомобилей:

или

^жт^грР гр

Грузоподъемность парома'

тогда площадь для размещения заданного количества автомобилей:

ат1

Уравнение пассажяровмсстимости и автомобилевместимости парома:

или

Площадь главной палубы:

Длина и ширина главной палубы:

Ширина главной палубы с учетом проходов и бортовых надстроек: В^В-х+гЬ!

Длина и ширина парома по КБ Л: Г^/О.Об-иг) В=Вт-2(Н-Т)1гос

Конец

Рисунок 2 - Блок-схема определения главных размерений автомобильно-пассажирских

паромов

Для оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов необходимо выполнить расчет нагрузки масс. На начальных стадиях проектирования для определения составляющих нагрузки масс используются различные модули для пересчета их с прототипов или приближенные зависимости, определенные на базе статистических данных. При определении массы автомобильно-пассажирских паромов измерителями составляющих нагрузки масс пассажирских и грузовых судов воспользоваться не представляется возможным, поскольку их конструкции отличаются от паромных. К специфическим конструкциям паромов можно отнести корпус, надстройку, судовые устройства, судовые системы и т. п. Следовательно, целесообразно выполнить анализ особенностей конструкции и измерителей составляющих нагрузки масс автомобильно-пассажирских паромов. С этой целью проанализированы 12 проектов автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания.

Масса металлического корпуса и неметаллических частей корпуса и надстройки паромов зависит от особенностей их конструкции. Анализ показывает, что у паромов-челноков корпус, как правило, имеет симметричные оконечности. При этом движительно-рулевой комплекс размещается в носу и в корме. У паромов, используемых на малых реках, обычно носовая оконечность имеет санообразную форму, которая позволяет осуществлять швартовку у берега необорудованного причалами. У паромов-челноков специфика конструкции надстройки заключается в том, что она имеет П-образную форму для размещения экипажа и пассажиров, а под ней на главной палубе располагаются автомобили. У паромов обычного типа надстройка, как у сухогрузных судов располагается в корме. На начальных стадиях проектирования при выборе судна-прототипа необходимо учитывать класс судна.

Для определения составляющих нагрузки масс автомобильно-пассажирских паромов предлагается использовать два способа. Первый способ - предусматривает определение составляющих нагрузки масс с использованием измерителей масс паромов-прототипов. Второй способ -основан на применении эмпирических формул для определения нагрузки масс автомобильно-пассажирских паромов, полученных автором на базе статистических данных.

Проиллюстрируем первый способ следующим примером. Масса корпуса паромов включает в себя массу собственно корпуса, надстроек, подкреплений и выгородок. Массу собственно корпуса можно рассчитать по формуле:

Р„ = 11/кЬВН, (1)

где у* - измеритель массы, т/м3;

ЬБИ - кубический модуль, м3.

Массу корпуса парома можно пересчитать и по судну-прототипу с помощью формулы, позволяющей точнее учесть особенности корпуса:

(2)

где (РДр - масса собственно корпуса парома-прототипа, т;

5, бпр - коэффициент полноты водоизмещения проектируемого парома и судна-прототипа;

Ь, В, Н - длина, ширина, высота борта проектируемого судна, м.

Вир» НпР - длина, ширина, высота борта судна-прототипа, м. Для определения массы надстройки парома можно воспользоваться формулой:

Ря«=Чн»^ (3)

где «Ъи - измеритель массы надстройки, т/м3; ■\У =ЦЬ11х - суммарный объем надстройки, м3; - длина яруса надстройки, м;

яруса надстройки, м; яруса надстройки, м. Массу надстройки можно также пересчитать по судну-прототипу:

(4)

где - масса металла надстройки парома-прототипа, т;

- суммарный объем надстройки парома-прототипа, м3.

Аналогичный подход можно использовать и для определения других составляющих нагрузки масс, таких как аппарельное устройство, устройство крепления автомобилей по-походному и т.п.

Полученные в работе измерители масс судов-прототипов использованы для математической модели оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов.

Второй способ определения нагрузки масс паромов заключается в использовании эмпирических формул, полученных автором в результате обработки данных по нагрузкам масс 12 проектов серийных паромов.

Массу металлического корпуса и надстройки паромов класса "Р и "О" можно определить по эмпирическим формулам (рис. 3):

Р„. = 0,1419ШН-43,253,т-для паром ов класса" О";. (5)

Р*г = 0,1133иВН+4,3864, т-для паром ов класса" Р1. (6)

Полученные зависимости можно использовать на начальных стадиях проектирования автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания.

В четвертой главе диссертационной работы сформулирована модель оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов. Разработаны математическая модель, алгоритм и программа выбора оптимальных элементов и характеристик паромов челночного типа и паромов с кормовым расположением надстройки. Исследовано влияние основных проектных параметров автомобильно-пассажирских паромов на технико-эксплуатационные и экономические показатели.

Целью проектирования является получение оптимального варианта судна, т. е. судна, удовлетворяющего заданным требованиям и наиболее

эффективного по выбранному критерию.

Соответственно, при обосновании элементов паромов на верхнем уровне оптимальное решение определяется условием, что критерий оптимизации

г(х,хк)->шт(шах), (10)

при

Хк ={хч|,кеК>Зе1,

где х— вектор оптимизируемых на данном уровне переменных (основных элементов корпуса) множеством I, X) =Ь,„/Ь; Х2==Н/'П Хз=6; Хк - вектор фиксированных характеристик подсистем множеством К;

— подмножество переменных в каждой из подсистем. Требования-ограничения для автомобильно-пассажирского парома

могут быть следующими: Пове^:

р(х,Хк/Р Р,(х, Xк) — Р^ - уравнение масс, требующее обязательного равенства водоизмещения судна Б сумме масс Р„ составляющих его нагрузку.

— уравнение плавучести, где р - плотность воды, т/м3.

- уравнение мощности, где Ы(х, Хк) — мощность главных двигателей, кВт;

Я(х,хк) - полное сопротивление движению судна, кН;

- скорость судна, м/с;

я(х, X к ) — пропульсивный коэффициент движителя. Пов'е^:

- малая метацентрическая высота не меньше минимально допустимой.

т(х,Хк)^Тпшх - осадка судна не больше максимально допустимой.

- высота надводного борта по запасу

плавучести, не меньше требующегося по Правилам Российского Речного-Регистра (ПРРР).

Ограничения на регистровые соотношения главных размерений:

(Ь/нХхЯМь/Н)р; (В/нХх,х*)<(В/Н)р,

где (Ь/Н)р, (В/Н)р - регистровые соотношения главных размерений.

хт1„х^ - элементы судна могут изменяться в процессе оптимизации в диапазоне [хт1п, хтах].

Ограничения зоны поиска оптимума по варьируемым параметрам:

([•■гт/Цтт

(№Ти<(Н/Г)5(НЯ)тал;

В данной математической модели отражены современные условия рынка. Так в качестве критерия экономической эффективности парома принята величина прибыли от эксплуатации судна:

Пх) = 1Е1(х)-1с1(х), (И)

где Е(, с, - составляющие доходов и затрат, а также учитывается банковский кредит на постройку автомобильно-пассажирского парома.

В принципе каждой линии, имеющей специфические условия плавания, соответствует свой оптимальный в экономическом отношении автомобильно-пассажирский паром. При этом критерий экономической эффективности от работы парома должен максимизироваться. Если не предполагается брать кредит, то критерий экономической эффективности будет определяться по формуле:

Эф = 1|Д(КЬ У„ <5,;, си - Э,(К,, V:, си], (12)

где Д — доход, получаемый паромом в расчетном году;

К{ - строительная стоимость судна;

У, - вектор характеристик заданной линии;

(Зи - провозная способность парома по автомобилям за навигацию;

(?ш - провозная способность парома по пассажирам за навигацию;

Э, - эксплуатационные расходы по судну за навигацию. Если предполагается брать кредит в банке, то критерий экономической эффективности будет определяться по формуле:

Эф = 1ГД,(К;, с>а„ си - Э,(К„ 0.0] - ВТ(КМ шО, (13)

где - выплаты кредита на постройку судна по условию

С целью решения поставленной задачи разработана математическая модель выбора оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания. Модель представляет собой совокупность аналитических и логических зависимостей, описывающих процесс проектирования. Алгоритм оптимизации обеспечивает построение вариантного ряда допустимых проектных решений и позволяет вы-

брать лучшие из них.

Укрупненная блок-схема выбора оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания приведена на рис. 7.

Написание и отладка

Оптимизация элем Ч Г ентов н характеристик судна

1

Выбор оптимального варианта судна

Разработка [фоектной документации

Рисунок 7 - Укрупненная блок-схема выбора оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания

Исходными данными для решения задачи оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирского парома являются: автомобилев-местимость и пассажировместимость; класс РРР; скорость или мощность СЭУ; численность экипажа; автономность плавания по запасам топлива; характеристики линии эксплуатации (габариты пути, продолжительность навигации и т. п.).

В качестве оптимизируемых параметров автомобильно-пассажирского парома внутреннего плавания принимаются отношение длины грузовой палубы парома к длине по КВЛ Ь„Д« (изменяется в пределах от 1,06 до 1,12); отношение высоты борта к осадке Н/Т (диапазон от 1,4 до 2,6); коэффициент общей полноты 5 (диапазон от 0,42 до 0,87). Поскольку число оптимизируемых элементов относительно невелико, то при расчете на компьютере можно применить метод перебора допустимых вариантов или сканирования. В этом методе диапазоны изменения независимых переменных разбивают на конечное число интервалов и рассчитывают критерий эффективности в узлах образовавшейся пространственной сетки. Преимущество этого способа поиска экстремумов состоит в том, что особых требований к виду функции цели и ограничений не предъявляется, не требуется вычисление производных, критерий эффективности не обязательно должен быть непрерывной функцией. Данный метод позволяет надежно находить глобальный оптимум с точностью до выбранного интервала изменения переменных.

Новизна математической модели состоит в разработке алгоритма оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания, который использует формулы и зависимости, полученные автором. Особенность алгоритма состоит в том, что отражаются современные условия рынка - учет банковского кредита на постройку судна, а в качестве критерия экономической эффективности принимается величина прибыли от эксплуатации парома.

Функциональная блок-схема алгоритма оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов приведена на рис. 8.

На базе разработанной математической модели выполнены исследования зависимостей технико-экономических показателей от проектных параметров. В качестве основных исходных данных приняты класс судна, количество автомобилей и характерное расположение их по ширине.

На рис. 9 приведен график зависимости водоизмещения от количества перевозимых автомобилей. В качестве прототипов использованы паромы проектов СП 1000 класса "Р", 736 класса "О" и 1731 класса "М". Для расчетов принята длина участка эксплуатации равная 3 км. При этом используется 1-, 2- и 3-рядное расположение автомобилей ЗИЛ-130 для паромов класса "Р", 2- и 3-х рядное - для классов "О" и "М". Исходя из графика, можно сделать вывод, что с увеличением числа автомобилей по длине возрастает и водоизмещение судов классов "Р", "О" и "М", а количество рядов перевозимых автомобилей влияет незначительно на водоизмещение паромов класса "Р" и "О". У судов класса "М" с 2-х рядным расположением автомобилей водоизмещение больше, чем у судов того же класса с 3-х рядной компоновкой.

Рисунок 8 - Блок-схема оптимюационной задачи проектирования автом обилыючгассажирского парома

0,т 2000

1500

1000

500

ими

при \х

—— 1 * —"""

10

15

20 25

п..т. ед-

■Зряда; - - *2 ряда;---1 ряд

Рисунок 9 - Граф ик зависимости водоизмещения от количества автомобилей

На рис. 10 и рис. 11 приведены графики зависимости удельной энерговооруженности и массы металлического корпуса от количества перевозимых автомобилей. Анализируя зависимости, приведенные на рис. 10, можно сделать вывод, что с увеличением количества автомобилей по длине происходит снижение энергозатрат. Для паромов класса "Р' рядность автомобилей незначительно влияет на энерговооруженность. Для судов классов "О" и "М" уменьшение энерговооруженности будет наблюдаться при 2-х рядном расположении автомобилей, следовательно, оно будет более эффективным с точки зрения энергозатрат. Исходя из графика на рис. 11, можно сделать вывод, что с увеличением числа перевозимой техники возрастает удельная металлоемкость, что связано с увеличением массы металлического корпуса. Количество рядов перевозимых автомобилей влияет незначительно на удельную массу металлического корпуса для паромов класса "Р" с 2-х и 3-х рядным расположением машин. Наименьшая удельная масса металлического корпуса паромов класса "Р" наблюдается при перевозке не более 5 автомобилей в один ряд. У паромов класса "О" и "М" наименьшая удельная масса корпуса будет при 3-х рядном расположении автомобилей. Это связано с тем, что при 2-х рядном расположении увеличивается нерационально используемая площадь грузовой палубы, что ведет к увеличению массы металлического корпуса.

ЫЮ, кВт/т

3 ряда; - - - 2 ряда;---1 ряд

Рисунок 10 - График зависимости удельной энерговооруженности от количества перевозимых автомобилей

Р ЛО

0.6 J

0.5 -0,4 -0.3 -0.2 -0

Рисунок 11 - График зависимости удельной массы металлического корпуса от числа автомобилей

График зависимости отношения длины парома к ширине Ц/В от количества перевозимых автомобилей приведен на рис. 12. Из графика видно, что для паромов класса "Р" с однорядным и классов "О" и "М" с 2-х рядным расположением автомобилей значения соотношения Ц/В больше, чем у паромов с 3-х рядным расположением машин при одном и том же количестве автомобилей, что ведет к улучшению ходкости. Это объясняется

•о» .....

"М" ~тч ^ V,

5 10 15 20 25

Паат. ЕЛ-

3 ряда,---.2 ряда;----1 ряд

тем, что расположение автомобилей в 1 и 2 ряда занимает меньшую площадь палубы, следовательно, ширина судна по КВЛ будет меньше, чем при расположении автомобилей в три ряда.

На рис. 13 представлена зависимость относительной прибыли от проектного параметра Данная зависимость показывает, что с увеличением отношения Цл/Ь увеличивается относительная прибыль паромов классов "Р" "О" и "М". Причем наибольшее значение относительной прибыли наблюдается у паромов класса "Р" с однорядным и у паромов классов "О" и"М" с двухрядным расположением автомобилей.

П/п„, тыс.руб./ед. 7000

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

\

"М"

•Р" ^ "О-

------- г " [ я

—1—=1—

5 10 15 20 25 ■3 ряда; - - - 2 ряда;---1 ряд

30

35

км

Рисунок 14 - График зависимости относительной прибыли от длины участка эксплуатации

Исходя из графика на рис. 14, можно сделать вывод, что относительная прибыль от перевозки автомобилей и пассажиров на паромах класса "М" возрастает, а у класса "О" практически не меняется с увеличением длины участка эксплуатации. Для паромов класса ИР" значения относительной прибыли уменьшаются с возрастанием линии эксплуатации. Поэтому для коротких линий рациональным будет использование паромов класса "Р" с двухрядным и однорядным расположением автомобилей по ширине судна, на длинных линиях — паромов класса "М" с двумя рядами машин, а судов класса "О" как с двумя, так и с тремя рядами - как на малые, так и на большие участки.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В ходе диссертационного исследования был разработан и реализован в программном обеспечении метод оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания. Проектные данные по отечественным судам, требования эксплуатации, используемые и разработанные автором методы, сведены в единую систему, позволяющую определить оптимальные элементы и характеристики речных автомобильно-пассажирских паромов.

В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания, удобный для

использования га начальных стадиях проектирования и получивший практическое применение. Существенной особенностью разработанного метода является вариантный анализ локальных технико-эксплуатационных характеристик паромов.

2. Проведен информационный поиск, собраны и систематизированы данные по технико-эксплуатационным и проектным характеристикам автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания. Выполнен структурный анализ архитектурно-конструктивных решений по паромам, определены конкретные количественные показатели по проектным материалам. Проанализированы возможности использования упомянутых выше данных для практической реализации статистического метода проектирования и анализа перспектив развития паромов.

3. Обоснованы требования эксплуатации к перспективным типам автомобилыю-пассажирских паромов внутреннего плавания.

4. Установлены статистические зависимости для определения проектных параметров автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания и предложения по их практическому использованию.

5. Разработан способ определения главных размерений автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания на начальных стадиях проектирования, основанный на анализе уравнения пассажировместимо-сти и автомобилевместимости судна.

6. Предложены эмпирические зависимости для определения составляющих нагрузки масс автомобильно-пассажирских паромов.

7. Разработаны математическая модель, алгоритм и программа выбора оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания. Упомянутая модель использовалась при оценке перспектив использования автомобильно-пассажирских паромов на реках Ленского бассейна.

8. На базе разработанной математической модели выполнен анализ влияния основных проектных параметров автомобильно-пассажирских паромов на технико-эксплуатационные и экономические показатели.

9. Внедрение в практику методов определения и исследования оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания с помощью ЭВМ дает технический эффект, позволяющий значительно расширить диапазон анализируемых вариантов судов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. К обоснованию архитектурно-конструктивного типа автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания // Труды ВГАВТ. Проектирование транспортных судов внутреннего плавания. - Н. Новгород. 2001. Вып. 300.-С. 35-39.

2. Особенности паромов внутреннего плавания и направления их развития // Труды ВГАВТ. Проектирование транспортных судов внутреннего плавания. - Н. Новгород. 2001. Вып. 300. - С. 27-34. (в соавторстве с Любимовым В.И., Чураковым В.В.)

3. Особенности обоснования архитектурно-конструктивного типа и основных элементов автомобильно-пассажирских паромов // Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве / Сборник всероссийской научно-технической конференции. - Н. Новгород. НГТУ.

2002. - С. 66-69. (в соавторстве с Волковым Ю.П., Любимовым В.И.)

4. Анализ и обоснование эксплуатационных требований к перспективным речным автомобильно-пассажирским паромам // Международный научно-промышленный форум "Великие реки 2ООЗ". Генеральные доклады, тезисы докладов. - Н. Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т. 2003. - С. 316-317. (в соавторстве с Любимовым В.И.)

5. Исследование проектных параметров автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания на базе математической модели выбора оптимальных элементов и характеристик // Молодые ученые внутреннему водному транспорту Сибири / Сб. научн. тр. - Новосибирск. НГАВТ.

2003.-С. 70-80.

6. Особенности математической модели выбора оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания // Восьмая нижегородская сессия молодых ученых. (Технические науки): Тезисы докладов - Н. Новгород: Изд. Гладкова О.В. 2003. - С. 17.

7. Перспективные типы автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания // Наука и техника на речном транспорте. Информационный сборник №1. ЦБНТИ Минтранс РФ. 2003. - С. 25-29. (в соавторстве с Любимовым В.И., Чураковым В.В.)

8. Учет требований эксплуатации при выборе главных размерений автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания. Проблемы транспорта Сибири / Сб. научн. тр. - Новосибирск. НГАВТ. 2003. - С. 4754. (в соавторстве с Любимовым В.И.)

Формат бумаги 60x84 Бумага писчая. Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Заказ 741. Тираж 100.

Издательско-полиграфический комплекс ФГОУ ВПО ВГАВТ

603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

»1035G

Введение

1 Современное состояние развития автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания и исследований по обоснованию их характеристик

1.1 Классификация и анализ технико-эксплуатационных характеристик автомобильно-пассажирских паромов

1.2 Обзор работ по теме исследования

1.3 Обоснование задач по теме исследования

2 Исследование вопросов обоснования архитектурно-конструктивного типа и элементов автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания

2.1 Основы формирования архитектурно-конструктивного типа паромов с учетом требований эксплуатации

2.2 Анализ проектных элементов речных автомобильно-пассажирских паромов

2.3 Способ определения главных размерений автомобильно-пассажирских паромов на начальных стадиях проектирования

2.4 Выводы

3 Особенности расчета нагрузки масс автомобильно-пассажирских паромов

3.1 Анализ особенностей расчета нагрузки масс

3.2 Расчет составляющих нагрузки масс, характерных для паромов, с помощью эмпирических формул

3.3 Выводы

4 Исследование проектных параметров автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания на базе математической модели выбора оптимальных элементов и характеристик

4.1 Обоснование системы уравнений теории проектирования в оптимизационной модели паромов

4.2 Разработка математической модели выбора оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов

4.2.1 Формулировка математической модели и алгоритм оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов

4.2.2 Характеристика программы

4.2.3 Оценка адекватности математической модели

4.3 Исследование влияния проектных параметров паромов на технико-эксплуатационные и экономические показатели

4.4 Выводы 106 Заключение 108 Литература 110 Приложение 1 Основные характеристики отечественной автомобильной техники, перевозимой на паромах

Принятая Правительством РФ федеральная целевая программа "Модернизация транспортной системы России (2002 — 2010 гг.)" предусматривает гармоничное развитие и тесное взаимодействие всех видов транспорта. Особо важное значение реализация этой программы имеет для регионов Сибири и Дальнего Востока, где в отсутствии железнодорожного сообщения основная нагрузка по перевозкам грузов и пассажиров ложится на речной и автомобильный транспорт. Отличительной особенностью транспортной системы Сибирских регионов является отсутствие на большинстве рек мостовых сооружений, что значительно сдерживает развитие автомобильных перевозок. В этих условиях крайне важное значение приобретает работа речных автомобильно-пассажирских паромов.

Паромные переправы предназначены для транспортного обслуживания экономических территорий, расположенных на противоположных берегах рек. Они являются одним из важных элементов транспортной системы страны, от надежной работы которой зависит бесперебойность перевозок народнохозяйственных грузов и пассажиров. По отчетным данным в навигацию 2000 года на реках и водохранилищах действовало 565 переправ [82]. Особенно много их на реках Сибири и Дальнего Востока. Например, важнейшим транспортным узлом на реке Лена, в котором сходятся все транспортные линии (водные, автомобильные, авиационные) и грузовые потоки, является город Якутск. В нем сосредоточены паромные переправы, которые обеспечивают связь различных транспортных потоков (автомобильного и водного транспорта). Роль паромных переправ для города Якутска и прилегающих улусов левобережья реки Лена очевидна. Они оказывают огромное влияние на экономику

Республики Саха (Якутия) [63].

В настоящее время, чтобы попасть из южных регионов республики в Якутск и прилегающие к нему улусы, действуют паромные переправы Якутск - Нижний Вестях, Покровск - Жемкон, Мохсоголлох — Качикат-цы. Кроме вышеперечисленных линий, работают паромные переправы на линиях Кангалассы - Сотинцы, Павловск - Хатасы. Успешно работают переправы на реках Вилюй и Алдан.

Самой загруженной является паромная переправа Якутск — Нижний Вестях, она обслуживает так называемое "южное" направление, которое ориентировано на базы в городах Томмот и Алдан, через которые идет снабжение не только южной, но и центральной группы улусов республики [63].

С приближением к Якутску Амуро-Якутской железнодорожной магистрали (АЯМ) возрастет интенсивность работы паромной переправы в районе Качикатц и Нижнего Бестяха. Ожидается рост объемов перевозок, появятся новые автомобильные составы, что в свою очередь потребует новых автомобильно-пассажирских паромов. Потребуется обустройство причалов для въезда-выезда автомашин, пополнение судами, способными обеспечить быструю и безопасную погрузку и перевозку автомашин. Предполагаемое увеличение пассажиропотока по АЯМ потребует дополнительного оборудования паромов для перевозки пассажиров. На работающих паромах перевозки пассажиров либо запрещены, либо имеются ограничения по количеству посадочных мест, так как не обеспечиваются нормы безопасности плавания, экологии и т.д., которые предъявляют контролирующие органы. Следовательно, требуется постройка новых судов для переправ.

На эффективность работы паромов влияет множество факторов, но особую важность имеют вопросы обоснования новых типов судов, их элементов и характеристик. Правильное решение этих задач во многом определяет навигационные качества судов, их транспортную эффективность. При этом должны быть приоритетно учтены условия эксплуатации судов (протяженность линии, габариты судового хода, условия погрузки и выгрузки и т.п.), а также размеры транспортных средств, которые перевозятся на паромных переправах.

Необходимо отметить еще одну важную особенность работы паромных переправ в районах Сибири и Дальнего Востока. Во многих районах действуют в зимний период так называемые ледовые переправы. Они существуют практически на всех реках Якутии. Сроки их действия зависят от природно-климатических условий. Все мероприятия по увеличению сроков навигационного периода качественно влияют на экономику республики, соответственно снижая общее время обращения завозимой продукции, частично ликвидируя сезонную зависимость и оторванность республики от остальных регионов России. Решающим фактором, определяющим величину сезонных запасов, является способ организации и технология процесса доставки грузов. Важным шагом в направлении увеличения доходов по перевозкам пассажиров и мелкопартионного груза на паромной переправе, могло бы стать решение проблемы увеличения срока навигационных работ. Этого можно было добиться, используя паромы с прочным корпусом.

Для эффективного использования паромных переправ в условиях рыночной экономики необходимо обобщение опыта эксплуатации и проектирования автомобильно-пассажирских паромов, создание новых методов обоснования оптимальных элементов и характеристик этих судов.

Таким образом, разработка методов оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания является актуальной проблемой. Решение ее открывает возможность создания и эффективной работы нового поколения судов этого типа, а также позволяет обеспечить дальнейшее развитие и повышение эффективности грузопассажирских перевозок на водном транспорте.

В связи с вышеизложенным целью диссертационной работы является разработка методов оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: структурный анализ архитектурно-конструктивных решений по паромам внутреннего плавания; обоснование требований эксплуатации к перспективным типам автомобильно-пассажирских паромов; разработка способа определения главных размерений автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания на начальных стадиях проектирования; анализ способов расчета составляющих нагрузки . масс автомобильно-пассажирских паромов; разработка метода определения оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания; исследование на базе математической модели влияния проектных параметров паромов на технико-эксплуатационные и экономические показатели.

Постановка цели и реализация задач требует разработки математической модели, отражающей вопросы определения оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов. Вышеизложенное составляет совокупность проблемы, разработка которой направлена на оптимизацию проектных решений при обосновании элементов и характеристик перспективных типов автомобильно-пассажирских паромов.

Таким образом, основными положениями, выносимыми на защиту, являются: разработка метода оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания, существенной особенностью которого является вариантный анализ технико-эксплуатационных характеристик новых судов; анализ и адаптация существующих методов определения элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания для использования в рамках математической модели на стадии исследовательского проектирования; разработка структурного анализа архитектурно-конструктивных решений по автомобильно-пассажирским паромам, определение количественных показателей судов этого типа по проектным данным; обоснование требований эксплуатации к перспективным типам автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания; разработка способа определения главных размерений автомобильно-пассажирских паромов на начальных стадиях проектирования, пригодного для математического моделирования; разработка способа определения составляющих нагрузки масс, характерных для паромов на стадии проектного анализа; результаты анализа зависимостей влияния проектных параметров на технико-эксплуатационные и экономические показатели на базе разработанной математической модели выбора оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов.

Объектом исследования в диссертационной работе являются автомобильно-пассажирские паромы, обеспечивающие перевозки автомобилей и пассажиров на внутренних водных путях.

Предмет исследования составляют научные исследования и разработки, обеспечивающие создание методов и способов обоснования технико-эксплуатационных и архитектурно-конструктивных характеристик, а также проектных параметров автомобильно-пассажирских паромов, предназначенных для пополнения речного флота.

В первой главе диссертационного исследования рассмотрены основные проблемы современного этапа развития автомобильно-пассажирских паромов, связанные как с эксплуатационными и общепроектными аспектами, так и конкретными технико-экономическими задачами. Проанализированы работы, посвященные поставленным проблемам, и сформулированы цели исследования.

Вторая глава посвящена изучению особенностей эксплуатации, исследованию вопросов обоснования архитектурно-конструктивного типа и элементов автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания. Разработан способ определения главных размерений автомобильно-пассажирских паромов на начальных стадиях проектирования, основанный на решении уравнения пассажировместимости и автомоби-левместимости.

В третьей главе выполнен анализ особенностей расчета составляющих нагрузки масс, характерных для автомобильно-пассажирских паромов и предложен способ их расчета с помощью эмпирических формул.

В четвертой главе диссертационной работы сформулирована модель оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов. Для проверки изложенных принципов разработаны математическая модель, алгоритм и программа выбора оптимальных элементов и характеристик паромов челночного типа и паромов для малых рек. Исследовано влияние основных проектных параметров автомобильнопассажирских паромов на технико-эксплуатационные и экономические показатели.

В процессе работы над диссертацией получен ряд новых научных результатов. Наиболее важным из них является метод оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания. Разработана математическая модель, охватывающая основные уравнения теории проектирования судов, необходимые на начальных стадиях проектирования.

Новые результаты, полученные в диссертации, включают в себя: структурный анализ архитектурно-конструктивных типов автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания; обоснование эксплуатационных требований к перспективным типам автомобильно-пассажирских паромов; способ определения главных размерений автомобильно-пассажирских паромов на начальных стадиях проектирования; формулы, позволяющие уточнить проектные параметры речных автомобильно-пассажирских паромов; способы расчета составляющих нагрузки масс автомобильно-пассажирских паромов с помощью эмпирических формул; алгоритм и программа оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания.

Практическая значимость диссертационного исследования обеспечивается прикладной направленностью и созданием конкретного программного продукта, приспособленного к применению в практике работы проектных и научно-исследовательских организаций. Разработанная в диссертации программа определения оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов использована Управлением водного транспорта Республики Саха (Якутия) при обосновании перспективных типов паромов для Ленского бассейна.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной памяти профессора Керичева В.М. в Нижегородском государственном техническом университете в 2002 г.; на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТа "Транспорт-21 век" в 2003 г.; на Международном форуме "Великие реки" на секции "Проблемы использования и дальнейшего развития внутренних водных путей России" в Нижнем Новгороде в 2003 г.; на восьмой нижегородской сессии молодых ученых (технические науки) в Дзержинске в 2003 г.

Положения диссертации изложены в 8 публикациях.

Диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (121 наименование) и приложений. Работа содержит 151 страницу машинописного текста, включающих 3 с. содержания, 12 с. списка литературы, приложения объемом 30 с. и содержит 41 рисунок и 9 таблиц.

4.4 Выводы

Реализация принципов системного подхода к проектированию автомобильно-пассажирских паромов привела к следующему:

1 Обоснована система уравнений теории проектирования применительно к автомобильно-пассажирским паромам.

2 Разработана математическая модель оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания, которая использует формулы и зависимости, полученные автором.

3 Разработан алгоритм оптимизации элементов и характеристик паромов, существенной особенностью которого является вариантный анализ локальных эксплуатационных характеристик судов, а также отражаются современные условия рынка — учет банковского кредита на постройку судна, а в качестве критерия экономической эффективности принимается величина прибыли от эксплуатации парома.

4 Выполнена проверка адекватности математической модели автомобильно-пассажирского парома при ее использовании на начальных стадиях проектирования судна.

5 Проведено исследование влияния проектных параметров автомобильно-пассажирских паромов класса "Р", "О", "М" на технико-эксплуатационные и экономические показатели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационного исследования был разработан и реализован в программном обеспечении метод оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания. Проектные данные по отечественным судам, требования эксплуатации, используемые и разработанные автором методы, сведены в единую систему, позволяющую определить оптимальные элементы и характеристики речных автомобильно-пассажирских паромов.

В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1 Разработан метод оптимизации элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания, удобный для использования на начальных стадиях проектирования и получивший практическое применение. Существенной особенностью разработанного метода является вариантный анализ локальных технико-эксплуатационных характеристик паромов.

2 Проведен информационный поиск, собраны и систематизированы данные по технико-эксплуатационным и проектным характеристикам автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания. Выполнен структурный анализ архитектурно-конструктивных решений по паромам, определены конкретные количественные показатели по проектным материалам. Проанализированы возможности использования упомянутых выше данных для практической реализации статистического метода проектирования и анализа перспектив развития паромов.

3 Обоснованы требования эксплуатации к перспективным типам автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания.

4 Установлены статистические зависимости для определения проектных параметров автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания и предложения по их практическому использованию.

5 Разработан способ определения главных размерений автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания на начальных стадиях проектирования, основанный на анализе уравнения пассажировместимости и автомобилевместимости судна.

6 Предложены эмпирические зависимости для определения составляющих нагрузки масс автомобильно-пассажирских паромов.

7 Разработаны математическая модель, алгоритм и программа выбора оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания. Упомянутая модель использовалась при оценке перспектив использования автомобильно-пассажирских паромов на реках Ленского бассейна.

8 На базе разработанной математической модели выполнен анализ влияния основных проектных параметров автомобильно-пассажирских паромов на технико-эксплуатационные и экономические показатели.

9 Внедрение в практику методов определения и исследования оптимальных элементов и характеристик автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания с помощью ЭВМ дает технический эффект, позволяющий значительно расширить диапазон анализируемых вариантов судов.

1. Азизов М.М., Агранов А.Е. Влияние характеристик рампового устройства на эксплуатационные параметры судов с горизонтальной погрузкой // Труды ЦНИИМФ. Перспективы развития морского флота. 1976. Вып. 209.-С. 71-81.

2. Алчуджан Г.А., Костенко М.М. Результаты исследования основных технико-эксплуатационных характеристик нового железнодорожного парома для Каспийского моря // Труды ЦНИИМФ. Перспективные типы морских судов. 1975. Вып. 198. С. 54-65.

3. Арсеньев С.П. Выбор типов судов транспортного флота (основные положения методики технико-экономического обоснования) // Труды ЦНИИ эконом, и экспл. водн. тр-та. 1968. Вып. 50. 232 с.

4. Арсеньев С.П. Перспективные типы речных транспортных судов. — М.: Речной транспорт. 1962.

5. Ашик В.В. Проектирование судов: Учебник. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение. 1985. - 320 е., ил.

6. Ашик В.В., Лавкин Н.П., Ерохова Н.С. Расчет массы корпуса сухогрузных судов // Судостроение. 1970. № 6. С. 6-9.

7. Ашик В.В., Царев Б.А., Челпанов И.В. Задачи оптимизации прогнозирования и взаимосвязи с сопряженными науками в теории проектирования судов // Труды ЛКИ. 1974. Вып. 90. С. 3-7.

8. Ашик B.B., Царев Б.А., Челпанов И.В. Особенности логико-математической модели судна при проектировании с помощью ЭВМ и учете прогнозирующих тенденций // Труды НКИ. 1972. Вып. 62.-С. 3-11.

9. Ашик В.В., Царев Б.А., Челпанов И.В., Гайкович А.И. Формирование логико-математической модели проектируемого судна с учетом его назначения // Труды ЖИ. 1974. Вып. 90. С. 9-13.

10. Базилевский С.А. Математические основы теории проектирования судов // Труды НТО судпром. Применение современной математики и электронно-вычислительных машин при проектировании судов. 1968. Вып. 111.-С. 4-8.

11. Басевич В.В. Организация морских пассажирских перевозок. — М.: Транспорт. 1972. 208 с.

12. Богданов Б.В., Слуцкий А.В., Шмаков М.Г., Васильев К.А., Соркин Д.Х. Буксирные суда (проектирование и конструкция). — JL: Судостроение. 1974. 280 с.

13. Бронников А.В. Морские транспортные суда: Основы проектирования: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Судостроение. 1984. - 325 е., ил.

14. Бронников А.В. Особенности проектирования морских транспортных судов. Л.: Судостроение. 1971. - 328 с.

15. Бронников А.В. Проектирование судов: Учебник. — Л.: Судостроение. 1991.-320 е., ил.

16. Будницкий Ю.А. Оценка веса корпуса при проектировании пассажирских судов и автомобильно-пассажирских паромов // Труды НКИ. Проектирование судов и конструкция корпуса. 1973. Вып. 71. С. 74-81.

17. Будницкий Ю.А., Чукавин А.Г. Проектирование пассажирских судов // Учеб. пособие. — М.: В/О "Мортехинформреклама". 1989.— 56 с.

18. Букшев А.В. Проектный показатель грузовместимости универсального судна для навалочных грузов // Сб. науч. тр. ЛКИ. 1983. С. 40-43.

19. Вашедченко А.Н., Каменецкий Ю.Т., Цыбенко Б.А. К определению элементов судов с горизонтальной погрузкой // Труды НКИ. 1975. Вып. 99. С. 3-7.

20. Вицинский В.В., Страхов А.П. Основы проектирования судов внутреннего плавания. — JL: Судостроение. 1970. — 454 с.

21. Воронин В.Ф., Ефремов Л.В. Обоснование оптимального числа паромов для речной грузовой переправы // Сб. науч. тр. ИИВТ. 1992. Вып. 266.-С. 51-56

22. Врублевская Л.Н., Сиротина Г.Н. Определение мощности энергетической установки в начальной стадии проектирования грузовых судов внутреннего и смешанного плавания // Труды ГИИВТ. 1975. Вып. 144.-С. 210-216.

23. Гайкович А.И. Применение алгоритма комбинированного случайно-релаксационного поиска при оптимизации элементов сухогрузного судна // Труды ЛКИ. 1974. Вып. 90. С. 27-32.

24. Гайкович А.И., Царев Б.А. Принципы построения математической модели оптимизационных элементов контейнерного судна // Труды ЛКИ. 1974. Вып. 90. С. 33-38.

25. Горбунов Ю.В., Любимов В.И., Гамзин Б.П. Суда для малых рек. -М.: Транспорт. 1990. 176 с.

26. Данилко А.В. Комплексная оценка структуры архитектурно-планировочных показателей обитаемости грузового судна // Сб. науч. тр. НКИ. 1979. Вып. 154. С. 21-25.

27. Дорин B.C. Общие принципы построения системы автоматизированного проектирования судов. В кн.: Вопросы судостроения. Сер. 1. Проектирование судов. - Л. 1972. Вып. 2. — С. 3-32.

28. Дорин B.C., Пашин В.М., Солдатов В.Е. Применение экономико-математических методов и ЭВМ при проектировании судов // Судостроение. 1967. № И- С. 17-24.

29. Дормидонтов Н.К., Анфимов В.Н., Малый П.А., Пахомов Б.А., Шмуйлов Н.Л. Проектирование судов внутреннего плавания. — Л.: Судостроение. 1974. 336 с.

30. Дроздов А.Ф., Касьянов Б.Ф. Автомобильно-пассажирский паром "Балтия" // Судостроение. 1987. № 5 С. 3-4.

31. Захаров И.Г. Метод решения многокритериальной задачи оптимизации характеристик судна // Судостроение. 1986. № 4. — С. 6-8.

32. Захаров И.Г. Теория компромиссных решений при проектировании корабля. — Л.: Судостроение. 1987.

33. Иванов Е.А., Роннов Е.П., Сиротина Г.Н. Расчет элементов винтовых движителей с применением ЭВМ Наири-4/АРМ. Методические указания. Горький. ГИИВТ. 1983. — 18 с.

34. Качество и эффективность перевозок сухогрузов. Методы и результаты исследований за 1970-2000 годы. Под ред. д. т. н., проф. Телегина А.И. Н. Новгород. ВГАВТ. 2002. - 299 с.

35. Ким Дек. Вопросы создания математической модели для определения главных размерений сухогрузных судов // Сб. науч. тр. ЛКИ. 1983.-С. 30-34.

36. Конторович Б.М. Определение веса металлического корпуса танкеров в первом приближении // Судостроение. 1967. № 6. С. 8-13.

37. Краковская А.И. Изыскание типа автомобильно-пассажирского парома для Волжско-Камского бассейна // Труды ГИИВТ. Вопросы судостроения. 1976. Вып. 145. С. 82-92.

38. Кузьменко А.В. Некоторые проблемы малотоннажного судостроения // Судостроение. 1987. № 8.

39. Ларкин Ю.М. Проектирование многоцелевых судов. Методические указания по выполнению курсового проекта. Одесса. 1990. 52 с.

40. Лебедев Ю.А. Расчет производственно-экономических показателей по флоту. Методика технико-экономического обоснования дипломных проектов для студентов очного и заочного обучения технических специальностей. Н. Новгород. ВГАВТ. 1994. — 46 с.

41. Леви Б.З. Определение области варьирования при обосновании основных параметров пассажирских судов пригородного сообщения и переправ // Труды ЦНИИМФ. Проблемы развития морского флота. 1973. Вып. 170.-С. 99-109.

42. Леви Б.З. Оценка эффективности обычного и челночного паромов // Труды ЦНИИМФ. Перспективные типы судов. 1981. Вып. 265.1. С. 43-51.

43. Леви Б.З. Пассажирские суда прибрежного плавания. — Л.: Судостроение. 1975. 264 с.

44. Любимов В.И., Михайлов М.Ю. Учет требований эксплуатации при выборе главных размерений автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания // Проблемы транспорта Сибири / Сб. научн. тр. Новосибирск. НГАВТ. 2003. - С. 47-54.

45. Любимов В.И., Михайлов М.Ю., Чураков В.В. Особенности паромов внутреннего плавания и направления их развития // Труды ВГАВТ. Проектирование транспортных судов внутреннего плавания. Н. Новгород. 2001. Вып. 300. - С. 27-34.

46. Любимов В.И., Михайлов М.Ю., Чураков В.В. Перспективные типы автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания // Наука и техника на речном транспорте. Информационный сборник №1. ЦБНТИ Минтранс РФ. 2003. С. 25-29.

47. Любушин Н.П. Закономерности изменения экономической эффективности судов // Судостроение. 1987. № 11. — С. 12-14.

48. Медведева Е.Б. Анализ архитектурно-пространственных решений научно-исследовательских судов среднего и малого водоизмещения // Сб. науч. тр. НКИ. 1983. С. 3-8.

49. Михайлов М.Ю. К обоснованию архитектурно-конструктивного типа автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания // Труды ВГАВТ. Проектирование транспортных судов внутреннего плавания. Н. Новгород. 2001. Вып. 300. - С. 35-39.

50. Михайлов М.Ю., Любимов В.И. Анализ современного состояния и тенденций развития автомобильно-пассажирских паромов внутреннего плавания // Сб. тез. докл. науч. техн. конф. проф. препод, состава ВГАВТа "Транспорт XXI век". - Н. Новгород. 2004.

51. На предприятиях судостроительной отрасли // Судостроение №6. 1999.-С. 6-7.

52. Ногид Л.М. Теория проектирования судов. Л.: Судпромгиз. 1955. -480 с.

53. Отраслевая инструкция по составу затрат и калькуляции себестоимости работ и услуг предприятий основной деятельности речного транспорта. Утверждено Минтрансом РФ от 8 марта 1993г. №ВА-6/152.

54. Пашин В.М. Критерии для согласованной оптимизации подсистем судна. JL: Судостроение. 1976. — 51 с.

55. Пашин В.М. Оптимизация судов. — JL: Судостроение. 1983. — 296 е., ил.

56. Пашин В.М. Системные принципы проектирования практическая значимость и главные проблемы // Судостроение. 1987. № 11. -С. 4-7.

57. Персианов В.А., Скалов К.Ю., Усков Н.С. Моделирование транспортных систем. — М.: Транспорт. 1972. 208 с.

58. Поспелов В.И. Алгоритм поиска оптимума основных проектных решений, элементов и характеристик перспективных судов // Труды ГИИВТ. Теория и проектирование судов. 1974. Вып. 133. Ч. 2. -С. 64-76.

59. Поспелов В.И. Выбор на ЭВМ оптимальных элементов грузовых судов внутреннего плавания. — Л.: Судостроение. 1978. 74 с.

60. Поспелов В.И. Машинный поиск оптимальных элементов и характеристик скеговых пассажирских СВП со спальными местами // Труды ГИИВТ. Вопросы судостроения. 1976. Вып. 145. С. 74-82.

61. Поспелов В.И. Применение ЭВМ для оптимизации элементов грузовых судов внутреннего плавания // Судостроение. 1970. № 11. -С. 12-14.

62. Поспелов В.И., Русакова И.А. Поиск на ЭВМ оптимальных элементов судов методом прямого спуска // Труды ГИИВТ. Теория и проектирование судов. 1972. Вып. 108. — С. 122-131.

63. Постнов А.В., Атлас Б.А. Применение вычислительной техники на водном транспорте. М.: Транспорт. 1965. - 216 с.

64. Роннов Е.П. Оптимизация элементов и характеристик судов внутреннего плавания / Обеспечение эффективности транспортных судов внутреннего плавания при их проектировании. Сб. науч. тр. Вып. 229. Горький. 1987. С. 3-91.

65. Российский деловой союз / Межрегиональное периодическое рекламно-информационное издание. №46 (197). 9.XII 16.XII. 2003.

66. Российский Речной Регистр. Правила (в 4-х томах). Т. 2. — М. 2002.

67. Савин В.И. Оптимизация работы флота. — М.: Транспорт // Труды ЦНИИЭВТ. 1974. Вып. 110.-201 с.

68. Сахновский Б.М., Сахновский Э.Б. Оценка нагрузки масс скоростных катамаранов // Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве / Сборник всероссийской научно-технической конференции. Н. Новгород. НГТУ. 2002.

69. Семененко Ю. Колесник для Чулыма // Красноярский рабочий. №146 (23300). 7 августа. Четверг. 1997. С. 1-2.

70. Скатов А.П., Пузанова Н.В., Суворов С.С., Лебедев Ю.А. Нормативные материалы к расчету расходов по содержанию флота. — Горький. ГИИВТ. 1986.

71. Смирнов Н.Г. На внутренних водных путях России. Водный транспорт. №3-4. 2001. - С. 4-5.

72. Снопков В.И. Эксплуатация специализированных судов. — М.:1. Транспорт. 1987. 288 с.

73. Сорокин В.И., Николаев В.И. Определение состава главных элементов в задаче оптимального проектирования судов // Сб. науч. тр. НКИ. 1979. Вып. 154.-С. 31-37.

74. Справочник по серийным транспортным судам. Т. 1 / ЦБНТИ Минречфлота. — М.: Транспорт. 1972. 224 с.

75. Справочник по серийным транспортным судам. Т. 7 / ЦБНТИ Минречфлота. — М.: Транспорт. 1981. 232 с.

76. Стройка. Нижегородский выпуск. №23 (167). Декабрь. 2003.

77. Суворов С.С. Расчет стоимости постройки судов. Приложения к методике дипломного и курсового проектирования. Горький. ГИИВТ. 1978.

78. Тихоплав О.Ю. К вопросу определения главных размерений пассажирских судов // Труды ЛКИ. 1974. Вып. 90. С. 131-136.

79. Токарев Б.Л. Способ определения главных размерений однокорпус-ных водоизмещающих пассажирских судов прибрежного плавания // Судостроение. 1991. № 8.

80. Транспортному флоту Родины / Под ред. к.т.н., проф. В.А. Евсти-феева. Л.: Судостроение. 1978. - 204 с.

81. Фомкинский Л.И. Методика тяговых расчетов при обосновании судов речного флота // Труды ЦНИИЭВТ. 1972. Вып. 86.

82. Царев Б.А. Классификация дискретных факторов при оптимальном проектировании судов // Сб. науч. тр. НКИ. 1983. С. 8-16.

83. Царев Б.А. Модульные задачи в проектировании судов: Учеб. пособие. Л.: Изд. ЖИ. 1986. - 96 с.

84. Царев Б.А. Оптимизационное проектирование скоростных судов: Учеб. пособие. Л.: Изд. ЖИ. 1988. - 102 с.

85. Цыбенко Б.А., Прокудин С.А., Голиков В.И. Применение метода последовательной безусловной минимизации при оптимизации основных характеристик судов // Сб. науч. тр. НКИ. 1979. Вып. 154. -С. 3-8.

86. Чой Ген Ир. Влияние эксплуатационных условий на экономические показатели пассажирских судов на подводных крыльях // Сб. науч. тр. ЖИ. 1983.-С. 74-78.

87. Шишкин А.А. Семь футов под килем // Большая Волга. №2. 2002. — С. 4-5.

88. Andersson Petal (1984) Securing of road trailers on board Ro/Ro ships. MariTerm AB, IMO Conference, London, February.

89. HMSO (1991) Roll-on/roll-off ships: stowage and securing of vehicles. Code of practice. ISBN 0-11-550995-X. HMSO, London.

90. Internet http://autokraz.com.ua/rus/main.htm

91. Internet http://marine-equipment.spb.ru/

92. Internet http://www.avtodiesel.ru/

93. Internet http://www.azlk.ru/fmodel.html

94. Internet http://www.gaz.ru/gaz/avt/volga/

95. Internet http://www.izhmash.ru/rus/product/

96. Internet http://www.kamaz.net/ru/buyer.htrn

97. Internet http://www.kokurin.ru/pdf/teotk.pdf

98. Internet http://www.paz.nnov.ru/frames.htm

99. Internet http://www.uaz.ru/products/

100. Internet http://www.uralaz.ru/prod.html

101. Internet http://www.vaz.ru/cars.htm

102. Lyakhovitsky A., Sakhnovsky E. Design data for high-speed catamarans. Inter. Ship. Conf., ISC' 2002, St. Petersburg, 2002, p. 95-102.

103. Turnbull SR Roll-on/roll-off semi-trailer models: a comparison of results. J Mar Sci Technol (2000) 5:101-106.

104. Turnbull SR, Dawson D (1984) The dynamic behavior of roll-on/roll-off trailers on board ship. Proceedings of the BSSM Conference, Lancaster, September.

105. Turnbull SR, Dawson D The dynamic behavior of flexible semi-trailers on board Ro-Ro ships. Int J Mech Sci (1999) 41:1447-1460.

106. Turnbull SR, Dawson D The effects of freely suspended loads on the dynamic behavior of semi-trailers on board Ro-Ro ships. Trans RINA (1998), vol 140, paper 1434.

107. Turnbull SR, Dawson D The securing of rigid semi-trailers on roll-on/roll-off ships. Int J Mech Sci (1997) 39:1-14.

108. Turnbull SR, Dawson D The securing of vehicles on roll-on/roll-off ships. Trans RINA (1995) 137:37-51.