автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Повышение безопасности плавания судов на основе разработки технологии крепления пакетированных лесных грузов

На правах рукописи

Аносов Николай Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПЛАВАНИЯ СУДОВ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ ПАКЕТИРОВАННЫХ ЛЕСНЫХ ГРУЗОВ

Специальность 05.22.19 -Эксплуатация водного транспорта, судовождение

г я ноя 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005540655

Владивосток - 2013

005540655

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Морской государственный университет имени адмирала Г. И. Невельского»

Научный руководитель Огай Сергей Алексеевич

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Азовцев Анатолий Иванович - доктор технических наук, профессор Начальник НОЦ инновационного развития морского транспорта НИИ морского транспорта.

Шпак Александр Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры Государственного и муниципального управления Школы экономики и менеджмента Дальневосточного федерального университета

Ведущая организация: Дальневосточный научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт морского флота (ОАО «ДНИИМФ») г. Владивосток

Защита состоится 18 декабря 2013 г. в 16 часов

на заседании диссертационного совета Д 223. 005. 01 при Морском государственном университете имени адмирала Г. И. Невельского: 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а, ауд. 241 УК-1, тел/факс +7 (4232) 414-968

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале УК-1

Морского государственного университета имени адмирала Г. И. Невельского

Автореферат разослан «11» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Резник Александр Григорьевич

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одной из актуальных проблем морского транспорта является обеспечение безопасности плавания судов с палубными лесными грузами. Аварии из-за смещения каравана происходят на судах многих стран, о чем свидетельствуют статистические данные страховых обществ.

С 2003 по 2012 год на 90 судах произошли аварии, связанные со смещением палубных лесных грузов. Убытки составили свыше 35% от всех убытков. Существенную долю убытков составляют последствия смещения и потери грузов, особенно навалочных и лесных, во время их транспортировки морем.

Как показывает анализ работ Н.В. Барабанов, М.В. Борисов, Н.Т. Гонча-ренко, В.И. Игнатов, Е.Б. Карповича, O.E. Карпович, А.И. Лешкевич, С.С. Малахов, А.Д. Москаленко, В.И. Снопкова, Ю.М. Реутов, Ю.Г. Рыбалкина и др. смещение палубного лесного груза нередко происходит из-за нарушений технологии транспортировки лесных грузов морем и под действием динамических нагрузок при плавании судна в штормовых условиях.

В существующих нормативных документах по укладке и креплению лесных грузов на судне и методиках их расчетов не полностью учтены транспортные характеристики и свойства пакетированных лесных грузов, как грузовых мест, так и штабелей, оказывающие существенное влияние на безопасность их транспортировки. Действующая методика крепления леса на палубе не в полной мере учитывает их многоэлементность, взаимодействие мезвду собой отдельных пакетов и т.д. Это приводит к завышенным расходам на крепление и увеличению трудоемкости монтажа крепления, увеличению времени погрузо-разгрузочных работ. Необходимо совершенствовать конструкции и методики крепления палубных лесных пакетированных грузов для сохранной перевозки их морем.

Ставится задача создания новой технологии разработки конструкций и способов размещения и крепления пакетированных грузов на основе фиксирующих башмаков, обеспечивающих безопасность мореплавания, оптимальное расходование материалов для крепления с учетом инерционных воздействий на грузы в штормовых условиях.

«Правила безопасности морской перевозки лесных грузов» РД 31.11.21.0197 нуждаются в дополнении по перевозке пакетированных лесных грузов, что отмечено в работах М.И. Суслина, O.E. Карповича, Е.Б. Карповича, Ю.Г. Рыбалкина, а также других авторов.

Совершенствование технологии крепления при перевозке лесных палубных пакетированных грузов на основе использования фиксирующих башмаков как элементов крепления при их совместном использовании является актуальной задачей, имеющей важное значение для обеспечения безопасности мореплавания и безопасной перевозки пакетированных лесных грузов.

Цель диссертационной работы — целью диссертационной работы является совершенствование технологии крепления грузов на базе применения принципиально новых средств крепления.

Область исследования - разработка технологии, методов и конструктивных средств обеспечения безопасности плавания при перевозке пакетированных пиломатериалов на палубе.

Объект исследования — совокупность методов и средств обеспечения безопасной перевозки пакетированных лесных грузов морем.

Предмет исследования - разработка технологии крепления штабеля палубного пакетированного лесного груза, сформированного с использованием фиксирующих башмаков. Пакеты и блок-пакеты пиломатериалов сформированные с помощью фиксирующих башмаков, гибкие элементы крепления (крепежные ленты, найтовы), взаимодействие гибких элементов крепления с упорными элементами крепления (фиксирующими башмаками) при их совместной работе.

Для достижения указанной цели поставлены следующие научные задачи:

• изучение условий транспортировки пакетированных лесных грузов;

• анализ способов и средств крепления грузов в пакетах на палубе судна;

• разработка расчетных моделей пакетированных лесных грузов (ПЛГ);

• разработка технологии крепления ПЛГ;

• разработка конструкции фиксирующего башмака для формирования пакетов, блок — пакетов и массива яруса палубного пакетированного груза;

• экспериментальное исследование на судах надежности крепления и эффективности предлагаемой технологии укладки и крепления ПЛГ с использованием фиксирующих башмаков.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на теории качки, теории вероятности и математической статистики, сопротивления материалов. Исследования выполнялись с использованием вычислительных средств на базе современных программных продуктов. При решении поставленных научных задач использовались методы теории графов, дифференциальных уравнений и элементы численных методов линейной алгебры и комплекс экспериментально — теоретических исследований.

В ходе исследования проводился анализ и обобщение разработок, средств и способов крепления пакетированных лесных грузов на палубе. Экспериментальные данные обрабатывались статистическими методами. Для решения задач использовался теоретический и экспериментальный метод с последующим сопоставлением полученных результатов.

Научная новизна исследований состоит в том, что:

• выведен коэффициент геометрического аналога устойчивости массива яруса палубного пакетированного груза;

• разработаны расчетные схемы новых средств и способов крепления лес-

ных палубных пакетированных грузов;

• разработано специальное устройство для формирования пакетов, блок-

пакетов и массива груза в ярусе;

• решена задача численной реализации динамической системы «судно -

спецустройство — штабель пиломатериалов»; Практическая значимость исследований:

• разработана технология крепления пакетированных лесных грузов на палубе морского судна;

• разработана конструкция фиксирующего башмака для формирования пакетов и блок - пакетов;

• разработаны схемы и метод крепления палубных лесных пакетированных грузов, предложена модель штабеля, состоящего из отдельных ярусов грузовых мест;

• выявлены причины смещения штабеля лесного груза на верхней палубе судна в зимних условиях - соскальзывание в результате оттаивания льда над люковыми крышками;

• разработан способ формирования и крепления штабеля пакетированных материалов с прямоугольным основанием.

Обоснованность и достоверность результатов достигнуты корректностью применения хорошо апробированного математического аппарата и совпадением результатов теоретических исследований с данными лабораторных экспериментов, имитационного моделирования и натурной эксплуатацией статической и динамической устойчивости штабеля пиломатериалов.

Реализация результатов работы. Результаты работы непосредственно использованы при выполнении госбюджетных НИР в рамках темы «Исследование и выработка научно-обоснованных предложений по совершенствованию нормативно-правовой базы Российской Федерации в области обеспечения перевозки лесных грузов морским транспортом» (2008-2009 г. УДК 656.614.3:629.124.34) в соответствии с планами НИР вуза в рамках раздела «Особенности работы судов в Дальневосточном регионе». Изготовлены и испытаны экспериментальные образцы фиксирующих башмаков.

Выводы и рекомендации, полученные при разработке диссертации, были внедрены в заявки на изобретение средств и способа формирования и крепления штабеля пакетированных пиломатериалов с прямоугольным основанием на транспортном средстве с использованием фиксирующих башмаков и в процесс обучения курсантов и студентов ФБГОУ ВПО МГУ им. адм. Г. И. Невельского, а так же для повышения квалификации судоводителей, углубления их теоретических знаний и совершенствования практических навыков по размещению, креплению палубных лесных грузов (лекции, курсовое и дипломное проектирование). На судах, перевозящих пакетированные пиломатериалы на палубе, успешно испытана технология, схемы крепления на основе фиксирующих башмаков.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации подтверждены экспериментально при лабораторных и натурных испытаниях.

Материалы работы были доложены на: 57-й международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь-наука-инновации», 2009 г.; 58-й международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь-наука-инновации», 2010 г.; на международных научно-практических конференциях «Проблемы транспорта Дальнего Востока», в 2009, 2011, 2012, 2013 г.; на 60-ой международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь-наука-инновации» в 2012 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 18 работ, из них 4 - в изданиях рекомендованных ВАК РФ и 4 без соавторства.

Структура и объем работы. Диссертация представлена на 182 листах машинописного текста и состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и одного приложения. Работа содержит 53 рисунка, 48 фотографий, 14 таблиц и список использованных источников из 205 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, цель и задачи исследования. Раскрывается научная новизна, практическая значимость работы и результаты исследований.

Первая глава «Анализ и причины аварийности судов с палубным лесным грузом. Анализ действующих международных и национальных документов» посвящена системному анализу причин и обстоятельств аварий судов, проведен анализ международной, зарубежной и национальной нормативной правовой базы, регламентирующей порядок и правила перевозки палубных лесных грузов на морских судах и анализ практики Дальневосточного бассейна по перевозке лесных грузов на палубе морских судов. Подробно анализируются существующие аналитические методы расчета крепления палубных пакетированных лесных грузов. Анализ существующих расчетных моделей позволил выявить их недостатки и сформулировать основные задачи, решаемые в диссертационной работе, а именно, построение новых математических моделей крепления для палубного пакетированного лесного груза, разработка новых ресурсосберегающих технологий, устройств крепления.

Вторая глава «Теоретические основы формирования и крепления штабеля палубных пакетированных лесных грузов с использованием фиксирующих башмаков» посвящена разработке математической модели исследования динамической системы: судно-укрупненная грузовая единица (УГЕ) -штабель пиломатериалов, теоретическому обоснованию увеличение кренящего момента от неплотной укладки палубного пакетированного лесного груза и исследована его поперечная устойчивость.

Размер стандартного пакета древесины согласно ГОСТам по ширине и высоте варьируется от 0,6 до 1,6 метра. Длина пакета составляет от 1 до 6 метров и выравнивается с обоих торцов. Изменения в стандартах к требованию формирования пакетов привело к увеличению числа плохо обернутых и плохо сформированных пакетов пиломатериала с неровными концами. Часто выравнивается только один торец (рис. 1).

В Кодексе безопасной практики для судов, перевозящих лесные палубные грузы, пакетированный груз рассматривается как монолит, чем он на самом деле не является, так как пакеты не скреплены между собой и существует пространство между пакетами от 0,02 до 0,07 м, при наличии пакетов выровненных только с одной стороны, расстояние между пакетами может достигать 0,5 м. При намокании и обледенении сила трения между пакетами уменьшается, сила сдвига увеличивается. Силы, возникающие при качке, определены как сумма проекций инерционных сил, действующих на каждый пакет в каждом ярусе по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Рис. 1. Наличие на боргу пакетов выровненных с одного торца

А=1Ч«=1 ) (1)

">р ( п

*=1 V 1-1

где: Ь'х, Ьу, 1<г — суммы проекций инерционных сил; т^ - масса 1-го пакета на к-м ярусе; п - число пакетов в ярусе; Л'я/) — количество ярусов; ах, ау, аг — проекции ускорений действующие на груз.

Сложность определения кренящего момента от неплотной укладки заключается в том, что при смещении груза разные пакеты в пределах одного яруса будут проходить разные расстояния. Тогда все пакеты будут проходить рас-

л-1

стояние 5 = , где п — число пакетов в ярусе, ] — число ярусов. В результате

м

возникают дополнительные моменты 6М„ создаваемые /-ми пакетами при качке судна. Увеличение кренящего момента от неплотной укладки каравана палубного лесного пакетированного груза находится по формуле (2).

Увеличение кренящего момента <)М, зависит от расстояния .V, появляющегося вследствие неплотной укладки пакетов. С увеличением количества ярусов и расстояния между пакетами, нагрузка на найтовы будет возрастать, что при суммирующем воздействии качки судна, намокания и обледенения груза, вида

упаковки пакетов, можегг привести к критическим напряжениям в найтовах и разрушению каравана палубного груза. Задачу предотвращения разрушения палубного каравана необходимо решать за счет совершенствования технологии укладки и крепления груза, что позволит свести к минимуму влияние дополнительных моментов.

6М, = тр^

/ у

g sin в - ш2в0р—sin (со/ + Ее ) - со202р—cos2 (ш( + £„)-р р

-ю! ¡^0„ cos (ю/ + е„ ) sin 0 + — ] g cos 0 - ш30ор—cos(m/ + £„) +

А р

У (2)

+ш30^р—sin2(íü( + eo) + m!0oQ,sin(mr + Eo)sin0-ra!Co0ocos(íü' + Eo)cos0x

2 S

gsin 0 - ю20ор—sin (ш( + Ев) - ш202р—cos2 (га/ + £„) - ш^в,, cosfcor + Е„ )sin 0 р р

где: ш — масса пакета с грузом; F— инерционная сила, действующая на пакет с грузом; Р — расстояние от центра тяжести пакета до оси вращения; в - угол крена судна в произвольный момент времени, град (вив — первая и вторая производные от угла крена); 00 - максимальный угол крена; со, t, еп— характеристики положения судна в пределах периода качки; — перемещение судна при вертикальной качке.

В диссертационной работе разработана технология крепления пакетов пиломатериалов с использованием фиксирующих башмаков. С помощью фиксирующих башмаков все пакеты в ярусе соединяются между собой крепежной лентой и рассматриваются как единый массив пакетов в ярусе, тогда караван палубного груза будет состоять из нескольких массивов.

Для решения задачи устойчивости палубного каравана, состоящего из нескольких массивов, процесс смещение пакетов разделен на две фазы. Первая фаза начинается с момента начала накренения судна (t=t0) и заканчивается моментом максимального накренения судна. Момент максимального накренения характеризуется наибольшим значением поперечной инерционной силы. При спрямлении судна во второй фазе к ее концу ускорение становиться равным нулю.

Для решения процессов и составления дифференциальных уравнений движения использовалось уравнения Лагранжа 2-го рода:

í/,S7\ дТ дП дФ _

)--+ — + —= Q„ (3)

dxt dxt dx¡ dx¡ где T и П- кинетическая и потенциальная энергия системы; Ф- диссипативная функция; Q,- обобщенная сила.

Выражения для кинетической и потенциальной энергии системы с учетом двух видов движения пакета: поступательного и вращательного относительно ребра опрокидывания (выступающие пакеты нижестоящего яруса) (рис.2) будет иметь вид:

Т = x¡+ m2 x¡+ m!pVs + JSQ ), (4)

\2 n

п = CJXl2 Xl) + ^ + Lm^mípg{sm(a + вгр) - sin a), (5)

где: Js~момент инерции пакетированного груза относительно его центра массы; 0рП - угол наклона (поворота) груза относительно палубы; ^абсолютная линейная скорость движения центра массы груза, представляющая собой геометрическую сумму поступательной скорости пакета и вращательной скорости центра массы груза относительно точки А (рис. 2.), x¡, х2- перемещения пакетов пиломатериалов и всего яруса, т\~ масса пакета; т2 - масса пакетов в ярусе; т^ -масса каравана; х - смещение груза с учетом действия инерционных сил; Сап -жесткость конструкции крепления груза. Введено понятие геометрического аналога устойчивости штабеля в виде коэффициента К, представляющего соотношение длины и высоты яруса и его упора hy (выступающие пакеты предыдущего яруса), установлена зависимость устойчивости штабеля палубного груза между К и фактическими максимальными углами наклона штабеля при крене судна.

m,Lm . mL„„ . //„

л - гР ™еч л - ф теч_ г =(_3L — h)sma

1 £ () а = arcsin(-j= ), К =---

4Г+К1 Нгр-2Иу

Ко»ффициен1 К

О 2 4 б » 10

Рис. 3 Зависимость устойчивости штабеля палубного груза К от характеристик штабеля

Из графика рис.3 видно, что при формировании каравана из массивов яруса пиломатериала увеличивается устойчивость штабеля, а крепежные ленты, соединяющие пакеты, при качке судна будут создавать затухающие колебания вследствие работы силы трения и упругой силы крепления.

Математические модели для анализа крепления штабеля палубных пакетированных пиломатериалов при всех режимах нагрузки для построения механической системы крепления штабеля получены с использованием теории графов. Теоретически определены эксплуатационные параметры фиксирующего башмака при динамическом взаимодействии пакетов пиломатериалов для широкого диапазона возможного внешнего воздействия на систему.

За исходную расчетную схему принята механическая цепь (рис. 4а) штабеля пиломатериалов, закрепленного с помощью спецустройства. Эта схема учитывает массу штабеля М и массы ярусов Мь М2, М3 и М4, жесткости Кь К2 фиксирующего башмака и крепежных лент, коэффициенты трения В], В2, В3 и В4. В соответствии с выбранной системой координат, связанной с судном, были заданы перемещения: пакетов относительно точки опоры, массива яруса, перемещение центра тяжести яруса и штабеля. На основании установленных связей между этими перемещениями построена механическая цепь и представлен граф этой цепи (рис. 4а), с помощью которого строится математическая модель штабеля пиломатериалов, закрепленного с помощью спецустройства. Выбранное

Рис.4. Механическая цепь и граф модели судно - спецустройство - штабель

С учетом выбранного дерева графа составляется матрица фундаментальных контуров М и матрицу отсечений 0:

м=

0=

"-1 -1 -1 -1 1 0 0 0 0 0"

-1 -1 -1 0 0 1 0 0 0 0

0 -1 -1 -1 0 0 1 0 0 0

0 0 -1 -1 0 0 0 1 0 0

0 0 0 1 0 0 0 0 1 0

0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 ! 1 1 0 0 0 0

0 1 0 0 ! 1 1 1 0 0 0

0 0 1 0 ! 1 1 1 1 0 0

0 0 0 1 ! 1 0 1 1 -1 1

(7)

Полюсные уравнения для этой системы выглядят следующим образом: /„,«)= Я,'

(0. , ,Л „ л -Ул/, (0 . , ,, _ «й^ЛО

-, /„,(') = м,—-г—; = /„, (/) = —

ш

л

</2х., (о ¡¿г.. (о

Л,,(О = м2 ; Д(0 = в2; (о = м,

а

л О

л2 !

(8)

¿ Л-,, (/) ¿/Х„ (/)

л2 ' л

Из полюсных уравнений и матрицы отсечений создается математическая модель штабеля пакетов пиломатериалов со спецустройством:

1Р+АУ = О,

(9)

где /-единичная матрица, /^-столбец известных функций ^^^,У-столбец неизвестных функций угуьд>\Уа- В развернутом виде и после преобразования эта модель имеет вид системы следующих уравнений.

М' + К,у' + + ^ + »4 ^ + К,У1 + (М, К,у} +

+ + К,уг + К,у, + (М2 + М,+М,

а

ш1

(10)

К ^ + (М, + + (Л/, + Мг + + +

+ (Л/, + Л/2 + Л/3 + Л/4 + В, + Л-4 = 0.

т т

Построены следующие математические модели системы крепления штабеля пакетированного груза на палубе судна: без спецустройства; со спецустройством; работающим как пружина; как амортизатор; как амортизатор и пружина одновременно.

Математические модели выражаются системами, состоящими из четырех дифференциальных уравнений второго порядка, которые сводятся к системам, состоящим из восьми дифференциальных уравнений первого порядка. Численная реализация этих систем получена с помощью автоматизированной подсистемы "Штабель пиломатериалов" (рис 5.).

Общая схема функционирования подсистемы представлена в виде связного ориентированного графа на рис. 5.

Подсистема "Штабель пиломатериалов" ориентирована на разработку и совершенствование технологий крепления пакетированного груза на палубе судна и позволяет:

1. Производить построение математических моделей закрепленного груза с помощью сетевых графов; обработку и численную реализацию математических моделей; анализ полученных результатов.

2. На основе информации о реальных параметрах объекта получать данные о параметрах требуемого спецустройства для закрепления данного груза.

Предлагаемая автоматизированная система значительно облегчает инженерные расчеты и проверку новых технологий для крепления палубных грузов, позволяет проводить моделирование поведения закрепленного палубного груза при различных видах качки и совершенствования технологий крепления штабеля.

Разработка новой Программа

технология ->1 Выход в 1 зап>узкн

СиЬе-1(}

Рис. 5. Схема функционирования подпрограммы «Штабель пиломатериалов»

В третьей главе «Разработка технологии формирования и крепления штабеля пакетированных материалов с прямоугольным основанием на транспортном средстве» сформулированы основные требования, предъявляемые к эффективности всей крепежной конструкции крепления штабеля пакетированных пиломатериалов и других видов груза с прямоугольным основанием на транспортном средстве.

Решается задача обеспечения надежного, безопасного крепления штабеля пакетированного материала, при которым исключается значительный объем физического труда при креплении и обслуживании средств крепления штабеля в рейсе и сокращается время проведения грузовых операций.

Для реализации предложенного способа формирования и крепления штабеля пакетированных материалов из пакетов на транспортном средстве разработаны фиксирующие металлические башмаки трехмерного типа, выполненные в виде трехстенного уголка (рис.ба и 66). Произведены расчеты прочности и геометрической конфигурации фиксирующего башмака, чтобы в случае предельной внешней нагрузки все устройства крепления штабеля пиломатериалов несли свою долю нагрузки, но не нагружались свыше их допустимой рабочей нагрузки.

Рис. 6а Фиксирующий башмак трехмерного Рис. 66 Сдвоенный фиксирующий башмак типа трехмерного типа

Формирование и крепление штабеля пакетов производят в два этапа. На первом этапе устанавливают на отдельной площадке формируемые пакеты (1). Устанавливают в ходе формирования вплотную снаружи по верхним и нижним углам каждого пакета фиксирующие башмаки (2). Заводят крепежные ленты (4) в окна ограничительных стенок противолежащих (6,7,9), установленных по углам формируемого пакета фиксирующих башмаков, обтягивают их втугую и скрепляют зажимом (10) (рис 7а и 76.). Формирование пакетов производится в местах подготовки пакетов к транспортировке.

Рис. 7а Формирование пакета вид с торца

Рис. 76 Формирование пакета вид с сверху

Сформированный пакет устанавливают на палубе судна и вплотную к нему устанавливают последующий сформированный таким же путем пакет, образуя первый ярус пакетов, используя для скрепления собой пакетов крепежные ленты. Затем фиксируют и крепят его найтовыми к корпусу транспортного средства, заканчивая на этом первый этап формирования каравана (рис. 8).

На втором этапе производиться формирование и крепление штабеля палубного груза.

Второй и последующие ярусы пакеты укладывают продольным или поперечным методом от борта к борту транспорта и скрепляют каждый пакет или блок — пакет в ярусе крепежной лентой, формируя укрупненную грузовую единицу. В итоге образуют полностью сформированный штабель пакетов прямоугольной формы. Далее его обтягивают найтовами с помощью талрепов (рис. 9,10).

3 люковая / е крепежная

крышка / лента

2

фальшборт

Рис. 8 Формирование палубного каравана на первом этапе

При расчете напряжений (11) и деформации фиксирующего башмака на растяжение и сжатие учитывается, что в сечениях имеются ослабления, отверстия.

° = (И)

Рис. 9. Формирование палубного каравана

Рис. 10. Формирование палубного каравана (вид с борта)

где Аср = А- Аосп; площадь поперечного сечения нетто; А- площадь поперечного сечения брутто; Аос„- площадь его ослабления.

Проекции сил, действующих на пакет по осям X, У, и момента относительно точки А при наклоне плоскости на угол в определены по схеме рис. 11. Сумма проекций сил и моментов составит ЦМ х

2/^ = 0; ^ - - - 0 = 0;

/у,, = /р сое 9;

где/- коэффициент трения. Проекции 82 находится по формуле:

(12) (13)

Рис. 11. Схема сил, действующих на крепление пакета: Л'|И -проекции параллельных составляющих усилий, F^v- сила трения, Р- масса пакета, й„-проекция сил реакции опоры, И - высота пакета, Ь - ширина пакета, б - угол крена

=0, Яи-Рсоав = 0, ^т^р) =0, 5,|А + /гя - + -Р&тв- Ь Рсо$9 = 0,

2 2

= /Рсоъел-Рьтв, Окончательное выражение для проекций сил будет:

У(ШТ)

-пу-ГП^^ созО + втО),

где п- число пакетов в штабеле.

(14)

(15) (16)

(17)

В расчетах прочности «башмака» использовалась низкоуглеводная сталь СТЗ, модуль упругости Е = 210 мПа.

Расчеты показывают, что можно использовать другие материалы, у которых модуль упругости Е > 70 мПа.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования статической и динамической устойчивости штабеля палубных пакетированных пиломатериалов, закрепленных с использованием фиксирующих башмаков» приведены результаты экспериментальных исследований, выполненных на модели части судна с пакетированным лесным грузом, с использованием различных методов укладки и крепления палубных лесных пакетированных грузов.

Основная задача исследований - изучение закономерностей развития деформации штабеля палубного пакетированного груза при различных условиях перевозки. Экспериментальные исследования проводились в трех основных направлениях: статические, динамические исследования и влияние динамики поглощения и испарения воды пиломатериалами на деформацию палубного каравана.

На первом этапе экспериментов проводилось изучение динамики поглощения и испарения воды при длительном нахождении образцов в воде, а так же влияние намокания на устойчивость палубного каравана.

Целью экспериментов являлось получение абсолютных и сравнительных характеристик: степени и интенсивности впитывания воды образцами; степени и интенсивности отдачи воды; изучение свойств пиломатериалов при длительном непрерывном воздействии водной среды (3 недели).

На основании анализа результатов эксперимента определено, что на судне штабель не соответствует условиям монолита, его структура состоит из пакетов пиломатериалов, между которыми присутствуют вещества (вода, лед и др.), характеризующиеся различными коэффициентами трения и различным агрегатным состоянием, изменяющимся в течение рейса и влияет на возникновение кренящего момента. Крепежные ленты и фиксирующие башмаки в массиве яруса компенсируют дополнительный кренящий момент.

Для изучения закономерностей развития деформации штабеля палубного пакетированного пиломатериала были созданы две установки:

Рис. 12. Модель для исследования деформации штабеля при воздействии статических нагрузок:

1 - масштабная модель части судна, 2 - пакеты пиломатериала, 3 - фиксирующие башмаки,4 -комингс трюма, 5 - основание, 6 - шкала кренометра, 7 - стрелка кренометра

1. Для исследования закономерностей деформации штабеля палубного па-

кетированного лесного груза при статических нагрузках (рис. 12.).

2. Для исследования закономерностей деформации штабеля палубного пакетированного лесного груза при воздействии динамических нагрузок (рис. 13).

Все размеры модели, а так же пакетов пиломатериалов были пропорциональны размерам реального судна.

Экспериментальные установки оборудованы измерительными устройствами для фиксации углов наклона платформы. Усилие в найтовах определялось с помощью предварительно откалиброванных динамометров, результаты исследований фиксировались на два видеорегистратора.

Рис. 13. Модель для исследования деформации штабеля при воздействии динамических нагрузок: 1-исследуемая модель; 2- платформа для модели; 3- груз, для изменения центр тяжести и периода качки; 4- кренометр, 5 -основание установки, 6 - найтовы.

Все размеры модели, а так же пакетов пиломатериалов были пропорциональны размерам реального судна.

Экспериментальные установки оборудованы измерительными устройствами для фиксации углов наклона платформы. Усилие в найтовах определялось с помощью предварительно откалиброванных динамометров, результаты исследований фиксировались на два видеорегистратора.

Исследования проводились с пакетами пиломатериалов из сосны, лиственницы, березы и осины. В экспериментах использовались пакеты различных размеров, упакованные в соответствии с требованиями ИМО в пленку, без упаковки, сухие, мокрые и обледеневшие пакеты пиломатериалов. Накренение мо-

дели производилось до 40 градусов, изучалось влияние деформации палубного пакетированного груза при изменении статических нагрузок.

В ходе испытаний второй серии опытов караван подвергался намоканию и обледенению, а так же использование различных по размеру пакетов для формирование каравана. При выполнении этой серии было установлено, что деформация штабеля происходила в караване, сформированном из различных по размеру пакетов, особенно упакованных в пленку, при намокании и обледенении (рис.14). Подтверждена зависимость устойчивости штабеля палубного груза от геометрических характеристик массива яруса (6) и углами крена судна.

На графиках (рис. 14, 16) показана зависимость соотношения ширины модели к смещению пакетов, от угла крена модели на установке:

(18)

о

где - Ь, ширина модели; 5 - смешение пакетов.

Во всех случаях на графиках (рис.14, 16) использовались следующие обозначения: а — продольная система крепления; б — продольно-поперечная система крепления; 1- сухие неупакованные пакеты одного размера; 2- мокрые неупакованные пакеты одного размера; 3 - сухие упакованные пакеты одного размера; 4 — мокрые упакованные пакеты одного размера; 5 - обледенелые неупакованные пакеты одного размера; 6 - сухие неупакованные пакеты разного размера; 7- мокрые неупакованные пакеты разного размера; 8 — сухие упакованные пакеты разного размера; 9 - мокрые упакованные пакеты разного размера; 10 - обледенелые упакованные пакеты разного размера.

Рис. 14. Диаграмма зависимости устойчивости палубного пакетированного груза от угла крена, упаковки и укладки при статических нагрузках

Третья серия опытов проводилось для исследования деформации палубного груза при динамических нагрузках (рис. 15). При проведении эксперимента использовались требования к пакетам и формированию каравана такие же, как и при эксперименте статической устойчивости палубного груза. Колебание модели производилась с периодом от 2 до 5 секунд с амплитудой качки от 5° до 40°.

Рис. 15. Исследование деформации каравана при динамических нагрузках

Эксперимент показал, что менее устойчива продольная система укладки каравана, смещение груза происходит при амплитуде качки, до18°. При продольно-поперечной схеме укладки палубного груза разрушение каравана происходило при амплитуды качки 20°. Разрушение палубного каравана при продольном методе крепления пакетов пиломатериалов разных размеров, упакованных в различные виды пленки происходило при амплитуды качки 15°. Основными факторами, влияющими на неустойчивость каравана палубного груза при динамических нагрузках, являются: период и амплитуда качки; плотность формирования каравана; материал упаковки пакетов пиломатериалов.

Четвертая серия опытов проводилась для исследования деформации штабеля палубного каравана, сформированного из четырех массивов пакетов с использованием фиксирующих башмаков при статических и динамических нагрузках. При проведении эксперимента на люковую крышку модели положили слой льда 1-2 мм, поверх льда уложили массивы пакетов (ярусы), закрепив найтовыми первый ярус. Колебание модели производилась с периодом от 2 до 5 секунд с амплитудой качки от 5° до 40°.

4. б 1 2. 3. 5

0.14 0,12 0..1 0.09 0.08 0.04

о.ог

О 1в 0.14 Н.12 0.1 о.о» 0.06 0.04 о.т

/_

~п /

Щ

""""

6)

30 40

Рис. 16. Диаграмма зависимости палубного пакетированного груза от угла крена, упаковки и укладки при динамических нагрузках. Продольно-поперечная укладка пиломатериалов со стензелями: а - период качки модели /„=2 с, б - период качки модели 1„=5 с

Как показали результаты эксперимента, при статических и динамических нагрузках штабель массивов пакетов закрепленные предложенным методом не был подвержен деформации даже при оттаивании нижнего слоя льда при амплитуде качки 35°.

На основании результатов экспериментальных исследований установлена следующая закономерность деформации палубного каравана: деформация основания штабеля (первый ярус пакетов) влечет за собой разрушение внешнего (бортового) ряда пакетов пиломатериалов - смещение груза — образование крена - разрыв найтовых — уход каравана за борт.

Произведен расчет крепления штабеля палубных пакетированных пиломатериалов на судне «Фрост Олимпос» судоходной компании ООО «Владкри-сталл» и проведены натурные испытания транспортировки пиломатериалов из порта Владивосток в порт Петропавловск Камчатский в ноябре 2011 г.

Во время рейса найтовы регулярно осматривались и производилось обтягивание крепления штабеля палубного груза. Осмотр системы крепления палубного груза показал, что штабель закрепленный новым способом практически не требовал регулировки, в то время, как штабель закрепленный обычным способом необходимо было обтягивать найтовы в течение всего рейса.

В феврале 2013 г. проведены натурные испытания транспортировки паллетов с рыбой в трюме № 1 из порта Петропавловск Камчатский в порт Владивосток. Во время транспортировки в рейсе смещение и разрушение штабеля паллетов не зафиксировано. Груз при транспортировке повреждений не получил. Натурным экспериментом подтверждена эффективность разработанной технологии и средств крепления пакетированных грузов на палубе морского судна.

Сравнительный анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований показал достаточную точность аналитических зависимостей и их пригодность для инженерных расчетов.

Оценка экономической эффективности использования фиксирующих башмаков для крепления штабеля палубных пакетированных пиломатериалов показала, что в расчете на один рейс предполагает увеличение скорости обработки судна и сокращает стоянку судна под погрузкой на 50 часов. Учитывая, что фиксирующий башмак многоразового использования и его можно применять при креплении других грузов с прямоугольным основанием, то экономический эффект значительно возрастает.

Заключение

В диссертационной работе на основании выполненных исследований получены следующие основные научные результаты и выводы: 1. Обосновано, что штабель не соответствует условиям монолита, его структура, состоит из пакетов пиломатериалов, между которыми присутствуют вещества (вода, лед и др.), характеризующиеся различными коэффициентами трения и различным агрегатным состоянием, изменяющимся в течение рейса.

2. Обоснованно значительное снижение силы трения в реальных штабелях пакетированных пиломатериалов на судах по сравнению с принятыми в действующих нормативных документах. Раскрыты причины случаев смещения штабеля палубного пакетированного груза.

3. Выведено понятие геометрического аналога устойчивости штабеля (К) в виде коэффициента представляющего соотношение длины и высоты яруса и его упора (выступающие пакеты предыдущего яруса). Выявлена зависимость устойчивости штабеля палубного груза между К и максимальных углов наклона штабеля при крене судна.

4. Уточнена автоматизированная система «Штабель пиломатериалов», как инструментальное средство численной реализации математической модели, что позволяет проанализировать крепление штабеля при всех режимах нагрузки.

5. Разработана технология формирования и крепления штабеля пакетированных грузов с использованием фиксирующего башмака.

6. Обоснована закономерность деформации штабеля палубного пакетированного груза.

7. Произведена оценка эффективности использования фиксирующих башмаков для крепления штабеля палубных пакетированных пиломатериалов

Работы, опубликованные в изданиях рекомендованных ВАК РФ

1. Аносов, U.M. Исследование зависимости несмещаемости палубных пакетированных пиломатериалов от способа укладки и крепления груза [Текст] / Н.М. Аносов, Д.А. Акмайкин, А.Г. Конаков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2010. -№2. - С. 147-152

2. Аносов, Н.М. Исследование поперечной устойчивости палубных пакетированных грузов [Текст] / Н.М. Аносов, А.Г. Конаков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. -2011. - №2. -С. 131-136

3. Аносов, Н.М. Возникновение дополнительного кренящего момента от не плотной укладки палубного пакетированного лесного груза [Текст] / Н.М. Аносов, Д.А. Акмайкин, A.C. Огай, А.Г. Колесов // Эксплуатация морского транспорта. №4(66) ГМА. - Санкт - Петербург - 2011. С. 40-44

4. Аносов, Н.М., Маликова Т.Е. Возникновение дополнительного кренящего момента от не плотной укладки палубного пакетированного лесного груза [Текст] / Аносов, Т.Е. Маликова//Морской вестник. 2012. №3(43). С. 97-98.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Доклады па конференциях

5. Аносов, Н.М. Анализ крепления палубных лесных грузов [Текст] / Н.М. Аносов // Сб. докл. 57-й Международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь-наука-инновация». Т. 1.Владивосток: РПК МГУ, 2009. — С. 53-58.

6. Аносов, Н.М. Анализ статической и динамической устойчивости палубного пакетированного лесного груза закрепленного методом ячеечного крепления [Текст] / Н.М. Аносов // Сб. докл. 58-й Международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь-наука-инновация». Т. 1.Владивосток: РПК МГУ, 2010. -С. 3-8.

7. Аносов, Н.М. Влияние неплотной укладки палубного пакетированного груза на возникновение дополнительных кренящих моментов [Текст] / Н.М. Аносов, М.И. Ходкий // Сб. докл. 58-й Международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь-наука-инновация». Т. 1.Владивосток: РПК МГУ, 2010.-С. 8-14.

8. Аносов, Н.М. Расчеты прочности элементов крепления штабеля пиломатериалов сформированного из укрупненных грузовых единиц. [Текст] / Н.М. Аносов, Т.Е. Маликова // Сб. докл. 9-й Международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока». Владивосток: ИПК МГУ, 2011. - С. 189-190.

9. Аносов, Н.М. Анализ существующих методик расчета крепления палубных лесных грузов. [Текст] / Н.М. Аносов, Т.Е. Маликова // Сб. докл. 9-й Международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока». Владивосток: ИПК МГУ, 2011.-С. 190-191.

10. Аносов, Н.М. Исследование свойств пиломатериалов находящихся в водной среде при различной степени защиты. [Текст] / Н.М. Аносов, М.А.Фарафонова //Сб. докл. XIV всероссийской научно-практической конференции «Молодежь-наука-инновация». Т. 1.Владивосток: РПК МГУ, 2012. - С. 8-14.

11. Аносов, Н.М. Исследование устойчивости массивов палубных пакетированных грузов при различных условиях перевозки. [Текст] / Н.М. Аносов И Сб. докл. XIV всероссийской научно-практической конференции «Молодежь-наука-инновация». Т. 1.Владивосток: РПК МГУ, 2012. - С. 8-14.

12. Аносов, Н.М. Совершенствование метода перевозки палубных лесных пакетированных грузов. [Текст] / Н.М. Аносов // Материалы юбилейной 10-й международной научно - практической конференции посвященная 200-летию адм. Г.И. Невельского «Проблемы транспорта Дальнего Востока». Владивосток: ИПК МГУ, 2013.-С. 47-49.

Статьи

13. Аносов, Н.М. Анализ аварийности судов. [Текст] / Н.М. Аносов // Вести. Морского государственного университета. Сер. Судовождение - Владивосток: МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2008, вып. 31. - С. 65-71.

14. Аносов, Н.М. Анализ положений, регламентирующих планирование выполнения рейса. [Текст] / Н.М. Аносов, Е.Д. Куваев // Вестник. Морского государственного университета. Сер. Судовождение - Владивосток : МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2009, вып. 32. - С. 83-90.

15. Аносов, Н.М. Исследование влияния ускорения сил трения на устойчивость каравана пакетированного палубного лесного груза. [Текст] / Н.М. Аносов, М.И. Хоцкий // Вестник. Морского государственного университета. Сер. Судовождение - Владивосток : МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2010, вып. 42. - С. 3-17.

16. Аносов, Н.М. Анализ причин аварийности судов. [Текст] / Н.М. Аносов, А.Г. Конаков // Вестник. Морского государственного университета. Сер. Судовождение - Владивосток : МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2010, вып. 42. - С. 63-74.

17. Аносов, Н.М. Оптимизация перевозки пакетированных лесных грузов. [Текст] / Н.М. Аносов // Вестник. Морского государственного университета. Сер. Судовождение - Владивосток : МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2011, вып. 46. -С. 56-60.

18. Аносов, Н.М. Исследование влияния ускорения сил трения на устойчивость каравана пакетированного палубного лесного груза. [Текст] / Н.М. Аносов, М.И. Хоцкий // Вестник. Морского государственного университета. Сер. Судовождение - Владивосток : МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2010, вып. 42. - С. 3-17.

Аносов Николай Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПЛАВАНИЯ СУДОВ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ ПАКЕТИРОВАННЫХ ЛЕСНЫХ ГРУЗОВ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Усл. изд. л. 2,0; уч.-изд. л. 2,0 Формат 60 х 84'/16 Тираж 100 экз._Заказ №

Отпечатано в типографии ИПК МГУ им. адм. Г. И. Невельского 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени адмирала Г.И. Невельского»

На правах рукописи

04201454828

Аносов Николай Михайлович

Повышение безопасности плавания судов на основе разработки технологии крепления пакетированных лесных грузов

Специальность 05.22.19. «Эксплуатация водного транспорта, судовождение»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

С.А. Огай

Владивосток, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ И ПРИЧИНЫ АВАРИЙНОСТИ СУДОВ. 10

АНАЛИЗ ПОЛОЖЕНИЙ, РЕГЛАМЕНТИРУЮЩИХ ПЛАНИРОВАНИЕ И ВЫПОЛНЕНИЕ РЕЙСА. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ МОРЕПЛАВАНИЯ СУДОВ ПРИ ПЕРЕВОЗКЕ ПАЛУБНЫХ ПАКЕТИРОВАННЫХ ГРУЗОВ

1.1 Причины аварийности судов и их анализ 10

1.1.2 Анализ положений, регламентирующих планирование и вы- 13 полнение рейса

1.1.3 Анализ причин потери каравана т/х «Высокогорск» 15

1.1.4 Анализ причин потери каравана т/х «Синегорск» в Ла-Манше 17

1.1.5 Анализ гибели сухогруза «Ice Prince» 19

1.1.6 Комплексные исследования нормирования остойчивости су- 20 дов с лесным грузом на палубе

1.1.7 Влияние человеческого фактора на безопасность мореплава- 26 ния

1.2 Состояние проблемы обеспечения безопасной перевозки палуб- 29 ных пакетированных лесных грузов

1.2.1 Анализ действующих международных и национальных нор- 31 мативных документов

1.2.2 Анализ существующих методик расчета крепления палубных 45 лесных грузов

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ И 51 КРЕПЛЕНИЯ ШТАБЕЛЯ ПАЛУБНЫХ ПАКЕТИРОВАННЫХ ЛЕСНЫХ ГРУЗОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИКСИРУЮЩИХ БАШМАКОВ

2.1 Увеличение кренящего момента от неплотной укладки палуб- 51 ного пакетированного лесного груза

2.2 Исследование поперечной устойчивости палубного пакетиро- 58 ванного груза

2.3 Разработка математической модели динамической системы: 67 судно - укрупненная грузовая единица - штабель пиломатериала

2.3.1 Методология исследования динамической системы: судно - 69 регулятор - груз

2.4 Анализ численных результатов исследования 74 ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ И 83 КРЕПЛЕНИЯ ШТАБЕЛЯ ПАКЕТИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ОСНОВАНИЕМ НА ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ

3.1 Способ формирования пакетов и блок-пакетов пиломатериалов 84 с использованием фиксирующих башмаков

3.2 Способ формирования палубного каравана пакетированных пи- 92 ломатериалов с использованием фиксирующих башмаков

3.3 Расчет прочности элементов крепления штабеля пиломатериа- 98 лов, сформированного с использованием фиксирующих башмаков

3.4 Расчет крепления палубного груза по данным судов типа 101 «Игорь Ильинский»

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТА- 105 ТИЧЕСКОЙ, ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ШТАБЕЛЯ ПАЛУБНЫХ ПАКЕТИРОВАННЫХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ, ЗАКРЕПЛЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИКСИРУЮЩИХ БАШМАКОВ

4.1 Экспериментальные исследования 105

4.2 Расчет экономической эффективности крепления палубного па- 116 кетированного груза с использованием фиксирующих башмаков

4.2.1 Расчет экономического эффекта на примере крепления паке- 120 тов пиломатериалов для судна типа «Игорь Ильинский» ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 128

ПРИЛОЖЕНИЯ 1 146

ПРИЛОЖЕНИЯ 2 162

ПРИЛОЖЕНИЯ 3 178

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одной из актуальных проблем морского транспорта является обеспечение безопасности плавания судов с палубными лесными грузами. Аварии из-за смещения каравана происходят на судах многих стран, о чем свидетельствуют статистические данные страховых обществ [176 -185].

С 2003 по 2012 год на 90 судах произошли аварии [9,60 - 64,75,176 -181], связанные со смещением палубных лесных грузов. Убытки составили свыше 35% от всех убытков. Существенную долю убытков составляют последствия смещения и потери грузов, особенно навалочных и лесных, вовремя их транспортировки морем.

Как показывает анализ работ Н.В. Барабанова, М.В. Борисова, Н.Т. Гон-чаренко, В.И. Игнатова, Е.Б. Карповича, O.E. Карповича, А.И. Лешкевича, С.С. Малахова, А.Д. Москаленко, В.И. Снопкова, Ю.М. Реутова, Ю.Г. Рыбал-кина [6,9,60,63,73,75,97-100] и др. смещение палубного лесного груза нередко происходит из-за нарушений технологии транспортировки лесных грузов морем и под действием динамических нагрузок при плавании судна в штормовых условиях.

В существующих нормативных документах по укладке и креплению лесных грузов на судне и методиках их расчетов [21,23,38 - 44,67 - 69,77,80] не полностью учтены транспортные характеристики и свойства пакетированных лесных грузов, как грузовых мест, так и штабелей, оказывающие существенное влияние на безопасность их транспортировки. Действующая методика крепления леса на палубе не в полной мере учитывает их многоэлементность, взаимодействие между собой отдельных пакетов и т.д. Это приводит к завышенным расходам на крепление и увеличению трудоемкости монтажа крепле-

ния, увеличению времени погрузо-разгрузочных работ. Необходимо совершенствовать конструкции и методики крепления палубных лесных пакетированных грузов для сохранной перевозки их морем.

Ставится задача создания новой технологии разработки конструкций и способов размещения и крепления пакетированных грузов на основе фиксирующих башмаков, обеспечивающих безопасность мореплавания, оптимальное расходование материалов для крепления с учетом инерционных воздействий на грузы в штормовых условиях.

«Правила безопасности морской перевозки лесных грузов» РД 31.11.21.01-97 [130] нуждаются в дополнении по перевозке пакетированных лесных грузов, что отмечено в работах М.И. Суслина, O.E. Карповича, Е.Б. Карповича, Ю.Г. Рыбалкин, а также других авторов [6,9,60,63,73,75,97-100].

Совершенствование метода крепления при перевозке лесных палубных пакетированных грузов на основе использования фиксирующих башмаков как элементов крепления при их совместном использовании является актуальной задачей, имеющей важное значение для обеспечения безопасности мореплавания и безопасной перевозки пакетированных лесных грузов.

Цель диссертационной работы - конечной целью диссертационной работы является совершенствование технологии крепления грузов на базе применения принципиально новых средств крепления.

Область исследования - разработка технологии, методов и конструктивных средств обеспечения безопасности плавания при перевозке пакетированных пиломатериалов на палубе.

Объект исследования - исследования по паспорту специальности 05.22.19 является совокупность методов и средств обеспечения безопасной перевозки пакетированных лесных грузов морем.

Предмет исследования - разработка технологии крепления штабеля палубного пакетированного лесного груза, сформированного с использованием фиксирующих башмаков. Пакеты и блок-пакеты пиломатериалов сформированные с помощью фиксирующих башмаков, гибкие элементы крепления

5

(крепежные ленты, найтовы), взаимодействие гибких элементов крепления с упорными элементами крепления (фиксирующими башмаками) при их совместной работе.

Для достижения указанной цели поставлены следующие научные задачи:

• изучение условий транспортировки пакетированных лесных грузов;

• анализ способов и средств крепления грузов в пакетах на палубе судна;

• разработка расчетных моделей пакетированных лесных грузов (ПЛГ);

• разработка технологии крепления ПЛГ;

• разработка конструкции фиксирующего башмака для формирования пакетов, блок - пакетов и массива яруса палубного пакетированного груза;

• экспериментальное исследование на судах надежности крепления и эффективности предлагаемой технологии укладки и крепления ПЛГ с использованием фиксирующих башмаков.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на теории качки, теории вероятности и математической статистики, сопротивления материалов. Исследования выполнялись с использованием вычислительных средств на базе современных программных продуктов. При решении поставленных научных задач использовались методы теории графов, дифференциальных уравнений и элементы численных методов линейной алгебры и комплекс экспериментально - теоретических исследований.

В ходе исследования проводился анализ и обобщение разработок, средств и способов крепления пакетированных лесных грузов на палубе. Экс-

периментальные данные обрабатывались статистическими методами. Для решения задач использовался теоретический и экспериментальный метод с последующим сопоставлением полученных результатов.

Научная новизна исследований состоит в том, что:

• введено понятие геометрического аналога устойчивости массива яруса палубного пакетированного груза;

• разработаны расчетные схемы новых средств и способов крепления лесных палубных пакетированных грузов;

• разработано специальное устройство для формирования пакетов, блок-пакетов и массива груза в ярусе;

• решена задача численной реализации динамической системы «судно -спецустройство - штабель пиломатериалов»;

Практическая значимость исследований:

• разработана технология крепления пакетированных лесных грузов на палубе морского судна;

• разработана конструкция фиксирующего башмака для формирования пакетов и блок - пакетов;

• разработаны схемы и метод крепления палубных лесных пакетированных грузов, предложена модель штабеля, состоящего из отдельных ярусов грузовых мест;

• выявлены причины смещения штабеля лесного груза на верхней палубе судна в зимних условиях - соскальзывание в результате оттаивания льда над люковыми крышками;

• разработан способ формирования и крепления штабеля пакетированных материалов с прямоугольным основанием.

Обоснованность и достоверность результатов достигнуты корректностью применения хорошо апробированного математического аппарата и совпадением результатов теоретических исследований с данными лабораторных

исследований, имитационного моделирования и натурной эксплуатацией статической и динамической устойчивости штабеля пиломатериалов.

Реализация результатов работы. Результаты работы непосредственно использованы при выполнении госбюджетных НИР в рамках темы «Исследование и выработка научно-обоснованных предложений по совершенствованию нормативно-правовой базы Российской Федерации в области обеспечения перевозки лесных грузов морским транспортом» (2008-2009 г. УДК 656.614.3:629.124.34) в соответствии с планами НИР вуза в рамках раздела «Особенности работы судов в Дальневосточном регионе». Изготовлены и испытаны экспериментальные образцы фиксирующих башмаков.

Выводы и рекомендации, полученные при разработке диссертации, были внедрены в заявку на изобретение способа формирования и крепления штабеля пакетированных пиломатериалов с прямоугольным основанием на транспортном средстве с использованием фиксирующих башмаков и в процесс обучения курсантов и студентов ФБГОУ ВПО МГУ им. адм. Г. И. Невельского, а так же для повышения квалификации судоводителей, углубления их теоретических знаний и совершенствования практических навыков по размещению, креплению палубных лесных грузов (лекции, курсовое и дипломное проектирование). На судах, перевозящих пакетированные пиломатериалы на палубе, успешно испытаны методики, схемы крепления на основе фиксирующих башмаков.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации подтверждены экспериментально при лабораторных и натурных испытаниях.

Материалы работы были доложены на: 57-й международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь-наука-инновации», 2009 г.; 58-й международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь-наука-инновации», 2010 г.; на международных научно-практических конференциях «Проблемы транспорта Дальнего Востока», в 2009, 2011, 2012, 2013 г.; на 60-ой международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь-наука-инновации» в 2012 г.

8

Публикации. По результатам исследований опубликовано 18 работ, из них 4 - в изданиях рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация представлена на 182 листах машинописного текста и состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и трёх приложений. Работа содержит 83 рисунка, 14 таблиц и список использованных источников из 205 наименований.

Глава 1. Анализ и причины аварийности судов. Анализ положений, регламентирующих планирование и выполнение рейса. Состояние проблемы безопасности мореплавания судов при перевозке палубных

пакетированных лесных грузов 1.1 Причины аварийности судов и их анализ Риск является диалектическим свойством любого транспортного процесса, в морском судоходстве он проявляется в виде аварий с судами. Возникающие в море аварийные ситуации обуславливаются, как правило, рядом случайных причин, поэтому аварийные случаи обладают всеми признаками, присущими случайным событиям.

Аварии с судами могут сопровождаться большими экономическими потерями и угрозой для жизни людей и окружающей среды, следовательно, пренебрегать риском нельзя; с другой стороны, полностью исключить риск из практики судоходства также невозможно. Поэтому основные усилия морского сообщества по поддержанию надлежащего уровня безопасности мореплавания направляются на снижение вероятности аварий.

Одним из отправных моментов в разработке мероприятий по повышению безопасности мореплавания является исследование причин и обстоятельств аварий. Несмотря на то, что каждый аварийный случай неповторим по своим нюансам, при достаточно большом объеме аварийных материалов всегда можно найти сходные признаки, факторы, характеристики, которые можно обобщить, анализировать, оценить частоту повторяемости и, следовательно, разработать и предпринять конкретные меры по повышению безопасности мореплавания.

За последнее десятилетие на судах морского транспортного флота России зафиксировано значительное количество аварийных случаев, наблюдается тенденция их роста [6,60,66,182-184]. Мировая статистика свидетельствует о том, что аварийность судов, занятых перевозкой лесных грузов, на долю которых приходится около 10% мирового объема морских перевозок, превышает

аварийность других типов судов, но при этом аварии крайне редко заканчиваются гибелью судов [9,185,188,190].

Применительно к российскому флоту эта статистика справедлива только в части, касающейся повышенной аварийности лесовозов, а что же касается низкой вероятности их гибели, то реальность жестко опровергает это заключение. В качестве подтверждения вышесказанного можно привести следующее: у причалов портов опрокинулись теплоходы "Паллада" и "Алга", в море только в последние годы с грузом леса на борту затонули теплоходы "Виктор Вихарев", "Ice Prince", "Вест", "Синегорье" и "Кастор - 1", потеряли весь или часть палубного груза т/х "Высокогорск", "Синегорск", "Nordgard".

Для проведения анализа аварийности приняты статистические данные Английского Регистра Ллойда и данные Минтранса РФ [60,66,91,98,184,192,197] (1630 аварий за последние 30 лет). Посадка на мель (касание грунта) занимает первое место среди причин морских происшествий - 534 случаев (32,8 %). На втором месте смещения груза и гибель в штормовых условиях - 364 случая (22,3 %). Далее следуют: нарушение герметичности корпуса - 212 (13,0 %), пожары - 198 (12,1 %) и столкновения - 168 (10,3 %). Другие причины не превышают - 9,2% (154 случая) (рис. 1.1).

Анализ аварийности по видам аварий.

■ касание грунта - 32,8%

■I смещение груза и гибель в штормовых условиях -

22,3

■ нарушение

герметичности корпуса -

13,0%

■ пожары -12,1

■ столкновения -10,3

I Другие причины

-9,20%

Рис. 1.1 Анализ аварийности по видам аварий

Влияние на риск гибели судна так же оказывает его возраст. Данные, необходимые для такого анализа, были заимствованы из ежегодных статистических отчетов Английского Регистра Ллойда [66,192,197]. Вероятность гибели судна с учетом его возраста равна[66]:

Вг = (n/N)o£

где: £ - коэффициент учитывающий отклонение вероятности гибели судна от среднего значения; g - возраст судна; n/N - средний риск гибели судов.

Таким образом, потери судов в возрастной группе 10-15 лет соответствуют среднему риску гибели n/N. Вероятность гибели судов в течение первых 10 лет с момента постройки примерно в шесть раз ниже, чем для судов с продолжительностью эксплуатации от 20 до 30 лет. Вероятность гибели судна возрастом от 10 до 20 лет в среднем в 2,5 раза превышает минимальное значение.

Среднее значение,Е

5 10 15 20 25 30 Возраст судна, лет

Рис. 1.2. Диаграмма расчета вероятности гибели судна с учетом его возраста Зависимость, приведенная на рис. 1.2, является весьма стабильной во времени и может использоваться не только для текущих оценок, но и для прогнозов на ближайшее будущее [66].

Тем не менее, практика показывает, что не всегда вероятность гибели судна старше 20 лет зависит то�