автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.17, диссертация на тему:Основы расчета и проектирования судовых грузопередающих устройств с приводами слежения

КАЛИНИНГРАДСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ р г 8 р^ной ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ХОЗЯЙСТВА

На правах рукописи УДК 629.12.013

БАЧИЩЕ Анатолий Васильевив

ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУДОВЫХ ГРУЗОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ С ПРИВОДАМИ СЛЕЖЕНИЯ

Специальность: 05.18.17 - Промышленное рыболовство

А втореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Калининград -1993

Работа выполнена в Керченском морском технологическом институте

Официальные оппоненты:

1. Заслуженный деятель науки Украины, доктор технических наук, профессор Приходько И. М.

Международный славянский университет (г. Харьков).

2. Доктор технических наук Шевцов С. Е. (г. Рига).

3.Локтор технических наук, профессор Чаплыгин Ф. Т. Астраханский технический институт рыбной промышленности и хозяйства.

Ведущее предприятие:

Государственный комитет Украины по рыбному хозяйству и рыбной промышленности.

Автореферат разослан _1993 г.

Защита диссертации состоится „ НО " 1993 г.

на заседании специализированного ученого совета Д.117.05.01 при Калининградском техническом институте рыбной промышленности и хозяйства (236000, Калининград, ул. проф. Баранова, 43, КТИРПХ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КТИРПХ. Заверенные отзывы в двух экземплярах просим направить в адрес КТИРПХ

Ученый секретарь специализированного Совета

к.т.н. ,1 ' В.М. Минько

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние годы проблема производства грузовых операций в открытом море стала особенно актуальной. Это объясняется в первую очередь, значительным развитием флота крупнейших морских держав, что связано с возникновением новых задач, порождаемых неуклонным движением вперед науки и техники. Появилась насущная необходимость в создании специальных судов снабжения, получивших в зарубежной литературе название плавучих складов, оснащенных мощными и совершенными грузовыми устройствами, способными осуществлять передачу грузов в море с судна на судно, а также на необорудованный берег и прочие стационарные и плавучие объекты.

Что касается рыбопромыслового флота, то повышение его эффективности, когда многие страны ввели двухсотмильную зону и судам приходится вести промысел при средней удаленности от береговых баз на 400 - 1200 миль, стало возможным только после появления крупных добывающих судов, имеющих большую автономность плавания, значительную скорость хода, единовременную емкость рыбных трюмов и хорошую обитаемость. Однако, даже современные добывающие суда перегонять на такие большие расстояния экономически невыгодно, гораздо целесообразнее доставлять в районы промысла специализированные плавбазы и транспортные рефрижераторы, не прерывая рейсов добывающих судов. В этих условиях, решающим значением в обеспечении эффективности использования добывающего флота является передача добывающими судами рыбопродукции и рыбы-сырца на обрабатывающие и транспортные суда и получение от них необходимого снаряжения.

-4В настоящее время погрузочно-разгрузочные операции на рыбопромысловом флоте проводятся, в основном, контактным способом. При этом отсутствуют обоснованные рекомендации, определяющие схемы, оборудование, и конструкции грузопере-дающих устройств, которые в полной мере удовлетворяли бы возросшие требования промысловиков. Эти вопросы нередко решаются проектировщиками по каждому судну самостоятельно, без надлежащего анализа и научного обоснования новых проектов.

Между тем способы передачи грузов в море определяют экономическую эффективность промысла. Так, например, если проводить перегрузочные операции в районе Атлантики в январе обычными средствами /грузовыми стрелами/ допускающими их использование на волнении моря максимум до 5 баллов, то процент времени в течении которого можно заниматься перегрузкой составит около 65,5%. Применение специальных устройств, допускающих передачу груза до 7 баллов, позволило бы увеличить время перегрузочных работ до 90% и уменьшить простои промысловых судов под разгрузкой или в ожидании ее.

По мнению отечественных и зарубежных специалистов наиболее перспективным является бесконтактный способ передачи грузов с помощью подвесных канатных дорог, использование которого исключает швартовые операции и, как следствие, навалы судов, позволяет выполнять грузовые операции на ходу судов, создает возможность использовать переходы из одного района промысла в другой, позволяет выполнять передачу грузов, а в необходимых случаях и людей, при повышенном волнении моря.

Объектом исследования в данной работе были грузовые устройства применяемые на судах, дальнейшее развитие мето-

дов их проектирования, повышение научного уровня и качества проектных работ.

На современном этапе в области проектирования и расчета --судовых грузовых устройств с приводом слежения проведены достаточно широкие по своему объему изыскательские работы. Однако, проведенные исследования, несмотря на их глубину, носят пока еще локальный характер, отражающий конкретные условия применения какого-либо одного типа устройства и его паВ то же время правильный выбор типа устройства и его параметров, диктуемых условиями эксплуатации, требованиями техники безопасности, степени автоматизации и т. п., требует в каждом отдельном случае использования результатов анализа большого количества вариантов (обобщенных схем) подобных устройств.

Структурная сложность схем грузовых устройств с приводами слежения, разнообразие типов следященатяжных механизмов, необходимость согласовании методов их расчета и исследования ставят перед проектировщиками задачи, которые при отсутствии прототипов и надлежащих теоретических и практических рекомендаций требуют для своего решения трудоемких предварительных исследований в каждом конкретном случае.

Целью работы является разработка теоретических основ расчета и проектирования судовых устройств с приводами слежения, а также анализ влияния эксплуатационных и конструктивных факторов на динамические процессы в них на базе комплексного исследования грузопередающих систем в условиях качки судов, которое складывается из решения следующих основных задач: - разработки универсальных расчетных схем грузовых устройств,

позволяющих описать динамику различных типов канатных дорог и различных видов кранов;

- разработки математических моделей, описывающих динамические явления, возникающие в грузовых устройствах при качке судов;

- анализа поведения судов связанных канатной дорогой при передаче грузов в условиях волнения моря;

- разработка методики определения оптимального расстояния между судами связанными канатной дорогой;

- разработки теоретических основ экспериментального определения динамических характеристик в судовых грузовых устройствах;

- проведение эксперимента по получению динамических характеристик при различных конструктивных и эксплуатационных параметрах;

- разработки схем проведения математического эксперимента по определению динамических параметров в грузовых устройствах;

- разработки практических инженерных методик расчета и проектирования судовых грузовых устройств.

Методы исследования. Диссертационная работа обобщает многолетние теоретические и экспериментальные исследования автора в области разработки и проектирования судовых грузовых устройств с приводами слежения. В ходе работы широко использовались как теоретические, так и экспериментальные исследования. Теоретические исследования базируются на универсальных методах решения математических задач. Для получения теоретических и практических решений было исполь

зовано математическое моделирование и эксперимент на ЭЦВМ.

Экспериментальные исследования были проведены на реальной модели грузового устройства с приводом слежения разработанной автором.

В отличие от работ других авторов, в которых отдельно рассматривались вопросы динамики передаваемого груза, передвижной каретки, следяще-натяжного устройства, в данной работе проблема исследуется комплексно, в нелинейной постановке, с глубокой детализацией проработки отдельных вопросов.

Научная новизна работы определяется комплексным подходом к проблеме расчета и проектирования судовых грузовых устройств с приводами слежения.

В процессе исследования впервые получены:

- универсальные расчетные схемы грузовых устройств, позволяющие описать статику и динамику всевозможных типов канатных дорог и различных видов кранов;

- единая методика проектного расчета грузовых устройств в статике;

- универсальная система дифференциальных уравнений, описывающих динамику несущей системы грузовых устройств различных типов;

- математическое описание динамических явлений в судовых грузовых устройствах, возникающих при отсутствии качки судов;

- методика определения оптимального расстояния между судами,

связанными канатной дорогой;

- результаты сравнительного анализа (теоретического и экспериментального) различных типов грузовых устройств при изме-

нении их конструктивных и эксплуатационных параметров, позволившие обнаружить ранее неизвестные взаимосвязи этих параметров;

- решение вопроса о переключении режимов работы грузовых устройств без использования муфт переключения и тормозов, что существенно улучшает динамику приводов;

- примеры практической реализации разработанных методов расчета.

Практическая ценность работы состоит в разработке инженерных методов выполнения проектных процедур обоснования и оптимизации характеристик судовых грузовых устройств с приводами слежения. Разработанные методы позволяют проектировщикам предъявлять и реализовывать обоснованные требования к геометрическим, кинематическим и динамическим характеристикам создаваемых ими грузовых устройств. Проведенные исследования позволили:

- полученные теоретические основы расчета грузовых устройств воплотить в методику расчета этих устройств;

- в соответствии с указанной методикой разработать алгоритмы и программы решения различных задач, возникающих в процессе проектирования грузовых устройств;

- получить ряд графических зависимостей, позволяющих определять некоторые характеристики грузовых устройств непосредственно с графиков (величина максимального провисания грузовой тележки в статике, силовые факторы гидродинамического взаимодействия судов);

- определить коэффициенты динамичности для натяжений в канатах, обнаружить некоторые закономерности и факторы,

определяющие характер изменения величины коэффициентов динамичности;

■ разработать новую более совершенную схему следященатяжного

и приводного устройства; • разработать методику определения оптимального расстояния между судами связанными грузовым устройством с учетом сил их гидродинамического взаимодействия.

Реализация работы. Результаты исследований были использо-аны при проектировании головного образца межсудовой под-есной канатной дороги для управления „Севрыбхолодфлот" Мурманск, 1979), а также при разработке проектной документами и изготовлении экспериментального стенда подвесной канат-;ой дороги (Мурманск, МВИМУ, 1979).

Кроме того, материалы диссертации вошли в справочник [. А. Горшкова и Н. И. Махорина „Передача судов в море" П.; Судостроение, 1977), а также в рабочие учебные программы по урсу „Теория механизмов и машин и детали машин" читаемому тудентам морского факультета (специальности „Промышленное ыболовство" и „Эксплуатация судовых энергетических устано-ок' КМТИ, Керчь, 1992 г.).

Апробация работы. Основные положения работы докладываюсь, обсуждались и получили одобрение: на 5-ой Международ-юй научно-технической конференции по развитию флота рыбной фомышленности и промышленного рыболовства социалисти-[еских стран (Ленинград, 1978 г.); на научно-техническом совеща-ши „Проблемы развития судовых подъемно транспортных машин I устройств" при Центральном правлении НТО им. академика Н. Крылова (Ленинград, 1978 г.); на научно-технической кон-

ференции по судовым грузопередающим устройствам Николаевского кораблестроительного института (г. Николаев, 1979 г.); на всесоюзном семинаре по обеспечению безопасности при швартовке и перегрузке рыбопродукции в открытом море (г. Севастополь, 1981 г.); на технических совещаниях ВРПО „Севрыба" по проблеме грузовых операций на рыбопромысловых судах в открытом море (г. Мурманск, 1979, 1987-88г.); на научно-технических конференциях Мурманского высшего инженерного морского училища (г. Мурманск, 1974-1988 г.); на расширенном заседании научного семинара кафедры промышленного рыболовства Калининградского технического института рыбной промышленности и хозяйства (Калининград, 1993 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 2-х монографиях (Передача грузов в море" в соавторстве с Н. И. Махори-ным; „Расчет и проектирование судовых грузопередающих устройств") и в 13-ти других печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 59 наименований и приложений; содержит 183 страницы основного машинописного текста, 59 рисунков, 2 таблицы и 53 страницы приложений. Общий объем диссертации с приложениями составляет 276 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, излагается современное состояние проблемы, которой посвящена работа, ее цель и научная новизна, дано краткое изложение всех глав диссертации.

— ц; —

Судовые грузовые устройства с приводами слежения в настоящее время только начинают развиваться и внедряться на судах рыбопромыслового флота. Поэтому анализ путей совершенствования и дальнейшего развития этих устройств является на современном этапе весьма актуальной проблемой. Разработка теоретических основ расчета и проектирования рассматриваемых грузовых устройств - есть необходимое условие того, что позволяет сделать указанный анализ более полным и качественным.

Довольно широкий круг вопросов в области расчета и проектирования судовых канатных дорог рассмотрен в работах Н. И. Махо-рина, А. Е. Маслова, Ю. Л. Бородина, А. К. Бикина, А. М. Плотникова, В. И. Рощанского и некоторых других авторов. В области исследования крановых и других спуско-подъемных устройств можно отметить работы Ю. И. Резчика, И. М. Бехрина, Б. И. Сорокина, Б. А. Бугаенко, А. Е. Полякова. Здесь интересно отметить, что почти все вышеуказанные авторы, работая независимо друг от друга и используя различные методы исследования, пришли к единому весьма важному выводу: динамические явления в какой-либо математической модели грузового устройства с точки зрения амплитуд практически совпадают для различных процессов волнения моря (регулярного и нерегулярного) при соблюдении эквивалентности между этими процессами. Данный вывод замечателен тем, что он существенно упрощает методы численного исследования конкретных схем грузовых устройств, поскольку учет нерегулярности морского волнения приводит к значительному усложнению математической модели изучаемого процесса. Следует указать, что инекоторые зарубежные специалисты в своих исследованиях также заменяют сложные колебания опор-

ных точек подвеса канатной дороги эквивалентными гармоническими.

Статическому исследованию канатных дорог посвящены работы А. И. Дукельского, К. М. Барамиздзе и II. Я. Когана, И. Е. Ба-рата и В. И. Плавинского, Н. М. Белой и А. Г. Прохоренко, а также ряда зарубежных авторов. Для дороги, загруженной каретками судового устройства передачи жидких грузов, подробное статическое исследование проведено В. С. Немировым. Большинство из указанных здесь работ относятся к стационарным береговым устройствам и поэтому они, естественно, не учитывают специфику использования судовых канатных дорог, вносящую существенные коррективы в методику исследования и конечные результаты.

В области динамического исследования отдельные частные задачи, связанные с колебаниями в канатных дорогах, были решены В. Г. Рекачом, Н. М. Белой и А. Г. Прохоренко, В. А. Калан-дадзе, Н. И. Махориным. Важный вывод сделан В. И. Рощанским, экспериментально подтвержденный Г. Г. Кубийда, о возможности динамических исследований канатных систем при больших пролетах и значительных массах передаваемого груза без учета массы канатов, что также существенно упрощает математическую модель изучаемого процесса. В работах А. А. Долголенко показаны особенности расчета плавучих и судовых кранов.

Частные вопросы вынужденных колебаний упругой нити, натянутой между колеблющимися друг относительно друга точками ее закрепления при детерминированном законе возбуждения колебаний рассмотрены в работах Ф. П. Ванштейна. Им установлена интересная возможность существования параметрических коле-

баний. М. И. Рощанский показал, что для судовых канатных дорог это может иметь место только в процессе установки дороги, когда нить напряжена незначительно и первая частота ее — собственных колебаний невелика. В. И. Рощанский установил зоны устойчивости-неустойчивости для процесса перекачки энергии вертикальных колебаний груза в маятниковые и нашел расчетные зависимости, позволяющие избегать неблагоприятных сочетаний параметров дороги. Дальнейшее развитие упомянутой работы В. Н. Ванштейна для случая нерегулярного волнения моря и нелинейности получило в трудах В. А. Ивовича.

Вопрос о влиянии работы судовой канатной дороги на качку судов, связанных этой дорогой, в упрощенной постановке исследован В. В. Луговским, А. Ш. Ачкинадзе и А. Я. Войткунской. Для существующих судов снабжения и обслуживаемых ими судов большого водоизмещения оно незначительно, однако, при уменьшении водоизмещения обслуживаемых судов это влияние становится существеннее, вызывая некоторый начальный крен.

В целом, анализ современного состояния проблемы показывает, что в данной области решены хотя и многие, но далеко не все задачи, необходимы систематизация и обобщение имеющихся материалов и создание общих основ расчета и проектирования грузовых устройств с приводом слежения. Этим вопросам и посвящена данная диссертационная работа.

В первой главе рассматриваются вопросы оптимизации привода слежения судовых грузовых устройств, являющегося основным их органом.

В §1.1. приводится структурная схема таких грузовых устройств (рис. 1) и описывается назначение основных их узлов

Рис. 1. Структурная схема грузового устройства со следящим приводом

и элементов. Единое структурное представление грузовых устройств с приводом слежения (механизмом слежения) позволяет в дальнейшем применять одни и те же методы к их теоретическому исследованию и проектированию, а также наметить общие требования, предъявляемые к устройствам в целом и их основным элементам.

В § 1.2. сформулированы специфичные требования

предъявляемые к грузовым устройствам с приводом слежения т. е. те требования, которые связаны с условиями работы устройстЕ в процессе качки судов на морском волнении. Показано, чтс основными требованиями являются безударность и безопасность проведения грузовых операций, а также плавность передаваемогс груза. Главную роль в выполнении этих требований играют меха низм слежения и механическая связь, соединяющая механизг* слежения с приводом передвижения груза.

Рис. 2. Классификация грузовых устройств и их механизмов слежения

В §1.3 рассматриваются вопросы создания оптимальных вариантов приводных лебедок и механизмов слежения (или сле-дященатяжных устройств), методы наиболее рациональной их механической взаимосвязи. На основе анализа существующих решений в данном вопросе использована схема устройства, распределяющего натяжения в канатах, которая позволяет иметь в трех-канатных судовых дорогах одно натяжное устройство вместо двух.

Предложена принципиально новая, защищенная авторским свидетельством № 677989, схема натяжного устройства с приводной лебедкой обеспечивающая высокую стабильность в поддержании натяжений канатов и отличающаяся возможность плавного переключения режимов работы грузового устройства в процессе передачи груза.

В §1.4 на основе существующих и новых решений, приведенных в работе, разработана классификация грузовых устройств и их механизмов слежения (рис. 2).

В § 1.5. сформулированы основные результаты, полученные в главе 1, и выводы.

Вторая глава посвящена разработке основ статического расчета эксплуатационных параметров судовых грузовых устройств.

В § 2.1 отмечено, что статический расчет является проектным, и установлены задаваемые и искомые параметры грузовых устройств.

В § 2.2 разработана единая методика статического расчета грузовых устройств, позволяющая определить во всех режимах их работы натяжения в канатах, траекторию движения грузовой каретки, тяговые усилия приводной лебедки, расстояние между опорными точками (дальность передачи), суммарные относи-

тельные перемещения опорных точек в процессе качки судов, дана последовательность статического расчета. Для нахождения геометрических и силовых параметров получены графики выражающие зависимости между весом передаваемого груза (5 , стрелой провисания канатной дороги Н , расстоянием между точками подвеса £ , перепадом высот точек подвеса и натяжением следящего каната 5 сл • Мето-

дика определения безопасного расстояния между опорными точками основана на учете остойчивости судов и сил гидродинамического взаимодействия между ними при следовании параллельными курсами. Суммарные относительные перемещения опорных точек, вызванные качкой судов, определяются с помощью теории стационарных случайных функций. Принципиальная схема канатной дороги с приводом слежения представлена на рис. 3, применительно к которой усилия в канатах будут равны:

Э,= 5н +5тд + 5ТП; 5г = Бн + <2Бтп = Бел = кв; 5Л= = 5тл~5тп ;

Г . Кб / _ п.

Рис. 3. Принципиальная схема канатной дороги со следящеприводной лебедкой

где: Я,. - натяжение следящего каната;

^ Л - тяговое усилие в канате 1;

0(.5 - безразмерная величина, характеризующая распределение натяжений в канатах; (остальные обозначения очевидны из рисунка).

Уравнение траектории движения тележки

2 = у ; £ = мссоз .

К ып ($>+£) ¿К

В § 2.3 на основе единой методики рассматриваются особенности статического расчета судовых кранов с механизмами слежения. Разработан метод определения натяжения в несущем (направляющем) канате.

В § 2.4 приведен пример статического расчета канатной дороги, а в § 2.5 отмечены основные результаты, полученные в главе 11, и даны отдельные выводы.

Третья глава содержит основы динамического расчета судовых грузовых устройств с приводом слежения.

о

В ъ 3.1 рассматриваются общие положения и обосновывается расчетная схема грузового устройства, представляемая как механическая система натяжное устройство - следящеприводная лебедка - грузовая каретка с несущим и тяговыми канатами (рис. 3). Для обеспечения возможности определения натяжений в канатах эта система разбивается на три самостоятельные перечисленные части, причем последняя часть (каретка и канатная система) представляется универсальной при любом назначении и исполнении грузового устройства (рис. 4).

В § 3.2 сформулированы основные допущения, принятые при разработке методики динамического расчета, а также составлены

Рис. 4 . Расчетная схема динамики во втором режиме

уравнения, описыващие перемещения опорных точек А и В грузового устройства в процессе качки судов как на регулярном, так и нерегулярном морском волнении--------

На основании принятой расчетной схемы канатной системы грузового устройства составлена система универсальных дифференциальных уравнений движения грузовой каретки между опорными точками судов, описывающая динамические процессы в канатной системе канатных дорог и кранов различного исполнения. Рассмотрены всевозможные частные случаи, определяемые либо видом качки судов, либо исполнением того или иного грузового устройства. Для частных случаев получены упрощенные дифференциальные зависимости.

Система универсальных дифференциальных уравнений имеет вид:

т1+тг) + ] +• 9Ц-0,

(«v тг) +

= Эг^г, - б! >

> о>

ГДЕ: ^ = (W«f6 ~ Wfi>fc)f4 - Waf„-Waf,í, фу» Щ1в + W3f20 -WH fis -Wizfzi *

Wti-WM-W«,* Ф = Wî5+vV5 + W2fei + Wsfac >

- (w¿ - wf o) o+ w? рз ! + w8f3 г - (Wg fs -Wiq-W/i} fs

Ф^ (W6 - Wio)ß t - w8fj5 - w9f36 + W,gf<

ут/^фг+гф'г, w9=w2if¿

W«= ( ¿A 4>ff1f) f,, w<v= (w2 V f,

Wis^/'fíf, frtyfw, oJ, + Ц tú¿,

Wíí =£-фег,

£-s=jî(«p,f,afc-^f, fí),s^'f,cj¡, e7= óU)¿,

=•> (<й f nfi-+¿ f. f<), e 9=£ f- xff,,

e3f5++£ s - esf„, £,, <£ , - £t f„; ft, £« =£jf<i-£g, £(з = (¿s-^iV.fcf^fi ,

^(Élfe^f^fof,,,

f,=sinx, f2=cosy, f3=SLf)cp, f,= Cos(p,

f^ôin^f^CoS^, «Sinip^f^^CoStft.

■f^sSirtd, f^scoSot, = -fi, fs - -рг -рз-fc '

•fí^fsfs + fafífe, fi? = f2fß + f, f?-fs> . . fis - fa -ftfg fs > f 19 {3? - f¿ ftfï > {èo^-fzfzt+féfs^, f¿>i=-f, f< + fafsfa,

f2^sf3fé-f2fsfí»» f2¡r=f9fnfs ~~ fl2 f? 7 fze - f 9 fnf ? + fiefs ' fa?-fi fio fs - f ■2 fg ? fsg = fâf39 -fiofs-p, ; -f¿9-f^f39 "^f/ofs-fi; f 30 = fafio + ft fa f 6 ; = - (fe f^ +f■1 faf<?); . fî2 = fio-fafefö ' f¿3 s fifto-fafgfn? f34 = f3 (f a f«o +f l f9 f h) - -f ■^ f :ÎG ; f 55-= fil {39 + f¿ fsfiZ y "fie - fiofsfn-fl2ffi>

■f3* 'fife -fafsf* ' f* = fm fafifs ?

f$3 - fi h + fafiofc > f** s fiafs- + fiofil-fe»

si=sh +sta + s-™, s2= sh + esrn-

При выводе дифференциальных уравнений в качестве Обобщенных координат были приняты:

^ - угол, отсчитываемый от вертикальной плоскости Q , проходящей через точки А и В до плоскости , образованной канатомД f^ ß; Ц? - угол, отсчитываемый от оси А ^ ± , лежащей в плоскости р и перпендикулярной к 4 ß. до каната А М; ^ - длина каната Д М ;

у - угол, отсчитываемый от верткальной плоскости Q ^ , проходящей через точку М , до плоскости Р^ , проходящей через линию /А' , параллельную Д £ , и центр тяжести передаваемого груза О ; Ц) - угол, отсчитываемый от линии А Е > лежащей в плоскости р , и перпендикулярной к д е > ДО линии fVJ Q .

Если суда испытывают только поперечную качку, а опорные точки А и D находятся постоянно на обгцем траверзе, то в уравнениях (1) следует принимать

£ = ^ = 6- = о, gA = = co^-t.

При учете только продольной качки необходимо считать

Г)д = СО1 = Consta •

Для двухканатной дороги принимается g - q .

В § 3.3 изложена методика составления дифференциальных уравнений движения механизмов следящеприводной лебедки, описаны способы опытного определения приведенных моментов сопротивления и осевых моментов инерции отдельных звеньев лебедки. Для исследуемой схемы следящеприводной лебедки (рис. 3) составлена система дифференциальных уравнений движе-

жения ее механизмов во всех режимах работы:

Режим 11

0,) % = (5тл " Srn)^ - М, и~ Мег

(¿iJo+Ji +Ja)%=(2 ST П "+SH -Sca) 2? " Мс^

13

Режим 111

(2)

& = (Зтп + Бтд+ 5н+ Бс^гт Мсз^ (з)

где: Срз - угол поворота барабана ЕЗз при неподвижном барабане Е?^ ;

- угол поворота барабана при заторможенном двигателе >

- приведенные моменты инерции;

с • - приведенные моменты сопротивления; * - передаточные числа от двигателей М к барабанам 5 и •

В § 3.4 составлены дифференциальные уравнения движения механизмов натяжных устройств различного типа: противовеса, пневмоцилиндра, гидроцилиндра с аккумуляторами, гидропривода с маховиком, погруженного в воду поплавка. В случае применения противовеса указаны способы гашения его силы инерции, особенно в предельных положениях противовеса. Разработаны методы увеличения хода противовеса или других, подобных ему устройств.

Дифференциальное уравнение движения противовеса имеет вид: ~ ~ " ------ - - ---------------------

т.3х = 5сл-т3%. (4)

В § 3.5 рассмотрены особенности расчета кранов без устройств противораскачивания и с таковыми. Основой расчета являются те же универсальные дифференциальные уравнения полученные в § 3.2. Для кранов, содержащих устройства противораскачивания (бифилярные и трифилярные подвески), разработан алгоритм решения дифференциальных уравнений, учитывающий прерывистость решения и необходимость многократной замены начальных условий. Получены расчетные зависимости, определяющие эффективность и противораскачивающую способность этих устройств.

Для кранов со свободным подвесом груза в уравнениях (1) следует принимать:

6~ = Эн = Бтп = о, Бтд^с,.

Если обе массы и 1П 2 можно будет считать сосредоточенными в одной точке, то в этих уравнениях надо полагать ^ — О .

Для получения дифференциальных колебаний груза на бифи-лярном подвесе и совместном действии продольной и поперечной качки судна, на котором установлен кран, необходимо в уравнениях (1) принять:

5н + $тл + $тп = 5н+г$тп =5.

Для кранов со следящим приводом, у которых несущий канат выполняет функцию направляющего устройства, в уравнениях (1).

5тп = о.

В § 3.6 приводится последовательность выполнения динамического расчета для наиболее общего случая - трехканатной судовой дороги; изложена методика определения начальных условий в начальный момент и при смене режимов работы следяще-приводной лебедки.

В§3.7 на основе универсальных уравнений, принимая в них

= соп^,, 1?А = с, <3*= ^ 1 = о.

получены дифференциальные уравнения движения грузовой каретки при отсутствии качки судов (кваэистатика). Эти уравнения показывают, что при отсутствии качки в грузовых устройствах протекают определенные динамические процессы, требующие своего исследования.

В § 3.8 выполнен пример динамического расчета судовой канатной дороги, проектный расчет которой был выполнен в статике ( §2.4).

В §3.9 выполнен сравнительный анализ динамических явлений в грузовых устройствах от воздействия качки судов на регулярном и нерегулярном волнении моря. Многичисленные исследования показали, что результаты расчета на нерегулярном волнении моря и в случае эквивалентного регулярного закона качки судов практически совпадают. Поэтому, с целью упрощения расчета, закон перемещений судов на качке рекомендовано принимать гармоническим. При этом вышеуказанная эквивалентность обеспечивается путем учета только той гармоники нерегулярного процесса, частота которой достаточно близка к частоте свободных колебаний судна.

В §3.10 изложены основные результаты, полученные в главе 111, и сформулированьГвыводы.

В четвертой главе произведен анализ влияния конструктивных и эксплуатационных параметров грузовых устройств на происходящие в них динамические процессы.

В § 4.1 определена система из 27 уравнений, подлежащих

численному решению для производства требуемого анализа. В

состав этой системы входят дифференциальные уравнения (1) -(4) и несколько вспомогательных алгебраических уравнений,

определяющих перемещение опорных точек А и В ПРИ качке судов (регулярной и нерегулярной) и некоторые другие величины и параметры, входящие в дифференциальные уравнения, Выбраны наиболее существенные конструктивные и эксплуатационные параметры. Отмечено, что влияние некоторых из них подробно изучено другими авторами (Махориным Н. И., Бикиным А. К., Бородиным Ю. Л., Масловым А. Е., Рощанским В. И. и др.) Поэтому в данной работе основное внимание уделено исследованию влияния всех факторов, действие которых, по мнению автора, в настоящее время изучено недостаточно. К таким факторам относятся: скорость хода судов; скорость движения передаваемого груза; степень натяжения канатов, определяемая силовыми характеристиками натяжных устройств; число канатов в несущей системе грузового устройства; распределение натяжений в канатах; длина физического маятника, образованного подвесом передаваемого груза к грузовой каретке.

В § 4.2 рассмотрено влияние скорости хода судов на производство грузовых операций с помощью канатных дорог. Численный анализ уравнений (5) и (6) для случая отсутствия

качки показал, что при скоростях хода до 3-х узлов суда, связанные канатной дорогой, становятся практически неуправляемыми, что исключает возможность использовать их при таких скоростях. По мере увеличения скорости хода судов их управляемость существенно увеличивается.

(5)

> (6)

где

52С06сб8+Рв+Рс,+ Ку=О> Мб- Мп + БаО-аСов«^-ру аг =0.

Ру = р к (рсг - ае п о( 6) £ У-0г б п,

р - плотность воды;

130 - скорость хода судна;

р - приведенная площадь диаметральной плоскости А

судна;

5п - приведенная площадь руля; [_, - длина судна по ватерлинии;

_ угол перекладки руля обслуживаемого судна; п,Су >С/у,,С2- различного рода коэффициенты. С другой стороны, с увеличением скорости хода растут и силы гидродинамического взаимодействия судов, создавая опасность их столкновения вследствие так называемого явления „присасывания". Расчет по уравнениям (5) и (6), выполненный для реальных судов (ПР „Профессор Баранов" - БМРТ „Пушкин"),

Рис. 5 . Кривые зависишстм сил гидродинамического вззглмо-

дзйстзия от скорости 'л расстояния мезду судали

Рис. б ■ Кривые зависимости момента гидродинамического взаимодействия от скорости и расстояния между судами

показал, что при скорости хода 3 10 узлов, с точки зрения сил гидродинамического взаимодействия, безопасным является расстояние между судами, превышающее 60 м, а допустимым - 30 м. При увеличении скорости эти значения расстояний следует также несколько увеличить.

Расчет сил гидродинамического взаимодействия и g , входящих у уравнения (5), по зависимостям, предложенным Ю. М. Мастушкиным, представляется довольно сложным. Поэтому в целях удобства пользования уравнениями (5) для представителей наиболее характерной серии судов рыбопромыслового флота, используя формулы 10. М. Мастушкина, построены графики зависимости величин fg jи Мб/в функции от расстояния между судами , представленные на рис. 5 и 6. Кривая 1

соответствует судам ПР „Профессор Баранов" - БМРТ „Пушкин", кривая 2 - судам TP „Прибой" - БМРТ „Пушкин", кривая 3 - судам TP „Актюбинск" - БМРТ „Пушкин".

В § 4.3 на основе решения соответствующего дифференциального уравнения, полученного из системы (1), изучено влияние скорости подъема (опускания) груза на величину его раскачивания. Установлено, что в целях уменьшения раскачивания, опускание груза следует производить с большой скоростью, а подьем -с малой.

В § 4.4 произведено исследование влияния конструктивных параметров бифилярных и трифилярных подвесок на их противорас-качивающую способность: определены конкретные параметры, значительно исключающие раскачивание груза в реальных условиях.

В § 4.5 выполнено комплексное исследование влияния раз-

личных параметров на величину натяжений в канатах и раскачивания груза. Решение на ЭЦВМ вышеуказанных 27 уравнений при различных параметрах позволило построить кривые зависимостей натяжений канатов (или величины раскачивания груза) в функции от этих параметров. Исследование указанных кривых дало возможность обнаружить ряд ранее неизвестных закономерностей в изменении натяжений канатов при движении груза относительно несущего каната в процессе качки судов. Натяжения изменяются по закону, близкому к синусоидальному. Осью абсцисс такой синусоиды является прямая линия, выражающая значение натяжения в статике, то есть синусоида располагается симметрично относительно прямой, полученной статическим расчетом. Период синусоиды равен периоду волны. Амплитуда и фаза синусоиды зависят от типа натяжного устройства. Так например, для противовеса фаза, синусоиды совпадает с фазой кривой, выражающей закон изменения во времени ускорения противовеса (или ускорения вращения барабана Бз на рис. 3. Если натяжное устройство выполнено в виде гидропривода без аккумуляторов (с маховиком или без него), то синусоида натяжений будет совпадать с кривой, выражающей закон изменения скорости вращения барабана 63 • Для пневматических натяжных устройств и гидравлических с пневмогидроаккумуляторами синусоида натяжений совпадает с кривой, выражающей закон вращения барабана б3-

Амплитуда синусоиды натяжений зависит: для противовеса - от силы инерции противовеса; для гидропривода без аккумуляторов - от настройки регулировочной аппаратуры; для натяжных устройств с пневматикой - от ем-

кости баллонов сжатого воздуха или аккумуляторов.

Амплитуда синусоиды определяет коэффициент динамичности в натяжениях канатов. Наименьшей амплитудой и наименьшим коэффициентом динамичности отличаются натяжные устройства с маховиком и с поплавками.

Повышение жесткости канатной системы (увеличение натяжений) приводит к уменьшению раскачиваний передаваемого груза и улучшению условий работы тяговых приводов.

Пятая глава посвящена описанию экспериментальных исследований выполненных в работе.

В § 5.1 указывается, что экспериментальная канатная дорога была спроектирована и изготовлена по договору с управлением „ Севрыбхоло дфлот". Приведено ее описание и сформулированы цели эксперимента: проверка работоспособности и надежности канатной дороги, определение натяжений в канатах для сравнения с натяжениями, определенными расчетным путем.

В § 5.2 представлены основные технические данные экспериментальной канатной дороги и определены критерии подобия и масштабные коэффициенты для пересчета на натуру.

В § 53 описаны объем, последовательность и результаты эксперимента, перечислена применяемая измерительная аппаратура, приведены необходимые схемы, рисунки, фотографии (стенда, измерительной аппаратуры, обработанных осцилограмм). На рис. 7 и 8 представлены кривые зависимости натяжений в канатах, полученные экспериментальным путем.

В § 5.4 отмечены результаты, полученные в главе У, и сделаны соответствующие выводы.

Подтверждена работоспособность схемы следящеприводной

Рис. 7 . Экспериментальные кривые при отсутствия качгас

Рис. 8". Экспериментальные кривые при работающем имитаторе качки

лебедки с двумя дифференциалами и двумя двигателями, позволяющими плавно осуществлять переключение режимов работы лебедки; установлен наиболее благоприятный момент для переключения режимов, соответствующий мгновенной остановке барабана несущего каната.

Полная сходимость кривых, полученных расчетом на ЭЦВМ и экспериментальным путем, позволяет сделать вывод о правильности теоретических предпосылок, принятых при проведении эксперимента.

В приложениях содержатся документы о внедрении, расчет экономической эффективности, документация и программа расчета на ЭЦВМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны инженерные методы расчета и проектирования судовых грузопередающих устройств с приводами слежения различного исполнения. Получены относительно простые математические зависимости, позволяющие производить проектные расчеты грузовых устройств, исходя из условий статики с использованием коэффициентов динамичности, полученных в работе экспериментально и путем исследования динамических процессов в грузовых устройствах с помощью ЭЦВМ.

Построена достаточно полная и универсальная математическая модель грузовых устройств различного назначения и исполнения, позволяющая исследовать динамические явления в этих устройствах при всех необходимых режимах их работы. Универсальность математической модели позволяет создать и универсальную программу динамического расчета на ЭЦВМ. В

диссертационной работе создана такая программа для случая поперечной качки судов, как наиболее неблагоприятной при грузовых операциях. Расчет производился для случая применения следящеприводной лебедки по рис. 5 и противовеса. Блочная структура программы позволяет легко вносить изменения в нее при использовании других типов лебедки и натяжных устройств, рассмотренных в § 3.4 диссертации. Результаты численного исследования сопоставлены с результатами эксперимента, выполненного на стенде с реальной канатной дороги.

Особое внимание уделено вопросам проектирования и расчета механизмов слежения, как главных и наиболее ответственных шементов грузовых устройств, предназначенных для работы в условиях качки судов. Разработана принципиально новая схема механизма слежения (натяжного устройства) и метод его расчета.

С позиции использования канатных дорог на судах рассмотре-ш также вопросы: гидродинамического взаимодействия судов, шедующих параллельными курсами; влияния скорости хода судов; автоматического удержания судов на параллельных курсах. Зля крановых устройств изучено действие устройств противорас-сачивания, выполненных в виде бифилярных и трифилярных юдвесок.

Основные результаты, полученные в работе, можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана единая методика статического расчета грузовых устройств с приводом слежения различного назначения, учитывающая конкретные условия работы этих устройств в требуемых режимах. На основании этой методики разработаны рекомендации по обоснованному выбору натяжения несущего каната.

2. Получены универсальные дифференциальные уравнения, описывающие динамические процессы в канатных системах грузовых устройств различного назначения и исполнения во всех режимах их работы.

3. Получены дифференциальные уравнения для основных типов следященатяжных устройств, дополняющие универсальные дифференциальные уравнения при описании динамических процессов в грузовых устройствах.

4. Разработан метод определения безопасного расстояния между судами, связанными канатной дорогой, при следовании их параллельными курсами. Дано решение вопроса (подтвержденное авторским свидетельством № 839859) об удержании судов на параллельных курсах.

Составлены алгоритм и программа динамического расчета грузовых устройств для наиболее неблагоприятного случая - поперечной качки судов.

6. Проведено численное и экспериментальное исследование влияние конструктивных и эксплуатационных параметров на динамические процессы в грузовых устройствах.

7. Установлена закономерность в изменении натяжений канатов при движении груза относительно несущего каната в зависимости от типов натяжных устройств.

8. Установлено влияние скорости передаваемого груза на динамические процессы в грузовых устройствах.

9. Получены зависимости, позволяющие определить силы гидродинамического взаимодействия судов, знание которых необходимо при определении безопасного расстояния между судами, связанными канатной дорогой.

10. Разработана структурная схема судовых грузовых устройств с приводами слежения и их классификация.

11. Приведено новое техническое решение связи натяжного устройства с приводной лебедкой, обеспечивающее плавную работу механизмов в процессе перехода с одного режима работы на другой.

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в работе, позволяют сделать и предложить следующие выводы и рекомендации:

1. Динамические процессы в канатных системах грузовых устройств не зависят от числа канатов в этих системах. Поэтому при проектировании судовых канатных дорог предпочтение следует отдавать двухканатным дорогам, схема которых, по сравнению с трехканатными, значительно проще. При большой грузоподъемности, с целью уменьшения диаметра канатов, становится целесообразным использование трехканатных дорог. При этом, для исключения необходимости в двух натяжных устройствах, рекомендуется применение самоустанавливающегося регулятора натяжения канатов.

2. Коэффициенты динамичности в натяжениях канатов весьма существенно зависят от типа натяжного устройства, используемого в данном грузовом устройстве. Наименьший коэффициент динамичности следует ожидать при использовании натяжных устройств с маховиком и поплавком. Многочисленные исследования, а также анализ, произведенный в данной работе, позволяют считать средним значением коэффициента динамичности 2. •

3. Лучшим видом механической связи натяжного устройства с механизмом передвижения груза является связь в виде двух

дифференциалов, обеспечивающая плавное переключение режимов работы механизма передвижения грузов.

4. Проектный расчет грузовых устройств следует выполнять по методике изложенной в главе 11. Рассчитанные значения натяжений необходимо при этом увеличить с учетом среднего коэффициента динамичности Кд= 2. >

5. Проверочный расчет грузовых устройств производится по методике разработанной в главе 111.

6. Наиболее существенное влияние на динамику канатных дорог оказывает поперечная качка судов. Поэтому, для упрощения расчета, влиянием продольной качки можно пренебречь.

При расчете крановых устройств следует учитывать их расположение на судне. В случае расположения крана в носовой или кормовой оконечностях судна, влияние продольной качки может оказаться весьма существенным.

7. Маятниковый подвес груза к тележке может привести к его интенсивному раскачиванию. Для устранения этого явления необходимо как можно уменьшить длину маятникового подвеса, предусмотреть ограничители раскачивания или применить трифи-лярный подвес груза.

8. Увеличение натяжений в канатах от К = 5 и более, улучшает динамику в системах грузового устройства.

9. Желательно иметь возможность регулировать скорость передвижения груза вдоль несущего каната. Отход груза от опорных точек следует производить с максимальной скоростью, а подход -с минимальной.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: 1

а) Монографии.

1. Бачище А. В. Расчет й проектирование судовых грузопе-редающих устройств. - Калиниград. Труды КТИРПХ. - 1992 - с.256.

2. Бачище А. В., Махорин Н. И. Передача грузов в море. - Мурманск: Кн. из-во, 1991. -105 с.

б) Статьи и научно-техническая информация.

3. Бачище А. В. Исследование статической остойчивости рыбопромысловых судов, связанных канатной дорогой. - Труды ЕСТИРПХ, вып. 73,1977. - 4с.

4. Бачище А. В., Махорин Н. И. Перспективы применения новых :пособов передачи грузов в море. 5-я научно-техническая конфе-зенция по развитию флота рыбной промышленности и промыш-7енного рыболовства социалистических стран. Ленинград, [978.-11 с.

5. Бачище А. В. Основы динамического расчета судовых грузо-гередающих устройств с приводами слежения. Керч. мор. техно-юг. ин-т, - Керчь, 1992. - 12 с. Деп. в ВИНИТИ 23. 07. 92, № 2426-В92.

6. Бачище А. В. Исследование кинематики привода слежения ¿ежсудовой канатной дороги. Керч. мор. технол. ин-т, - Керчь. -!бс. Деп. в ВИНИТИ 16. 11.92, № 3261 - В92.

7. Бачище А. В. Экспериментальное исследование динамичес-:их процессов в судовой трехканатной дороге. Керч. мор. технол. [н-т, - Керчь, - 13с. Деп. в ВИНИТИ 16.11.92, № 3260 -В92.

8. Суднин В. М., Бачище А. В. Определение горизонтальной оставляющей натяжения несущего каната судовой подвесной ;ороги. - М.: Судовождение, И® 17,1975. - 8с.

9. Суднин В. М., Бачище А. В. Определение безопасного рас-тояния между судами, осуществляющими прием и- передачу

грузов с помощью траверзной канатной дороги. - Л.: Справочник „Передача грузов в море". Судостроение, 1977. - 4с.

10. Махорин Н. И., Бачище А. В. Универсальное описание динамических процессов в канатных системах судовых грузовых устройств. (Естественные и точные науки, техника). - Деп.: ЦНИИТЭИРХ. -М., 1982. -21с., №381 рп - Д82.

11. Махорин Н. И., Гринь, Топальский А. И,, Бачище А. В., Влияние некоторых конструктивных и эксплуатационных параметров на динамические процессы в судовых канатных дорогах. -Вопросы судостроения. - Л. Вып. 37. - 1985. - 14с.

12. Махорин Н. И., Суднин В. М., Бачище А. В. Судовая подвесная канатная дорога. - Деп.: ЦНИИТЭИРХ, вып. 8. - М., 1980. - 5с.

13. А. С. 677989 (СССР). Судовая канатная дорога. (Бачище А. В., Махорин Н. И., Каргин М. И. и др. - Опубл. 1979, Бюл. № 29.

14. А. С. 839 859 (СССР). Автоматическая система управления рулем судна. (Махорин Н. П., Сорокин Б. И., Шишло 10. В., Бачище А. В.) - Опубл. 1981, Бюл. № 23.

15. А. С. 1477622 (СССР). Устройство для выгрузки грузов из трюма судна. (Бачище А. В., Владимиров В. Т.) - Опубл. 1989. Бюл. № 17.

/