Разработка и оптимизация судового машиностроительного оборудования

Суслов, Валерий Федорович

Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Разработка и оптимизация судового машиностроительного оборудования

доктора технических наук: Суслов, Валерий Федорович
город: Санкт-Петербург
год: 2005
специальность ВАК РФ: 05.08.05

Автореферат диссертации по теме "Разработка и оптимизация судового машиностроительного оборудования"

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ СУДОВОГО МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Специальности 05.08.05 "Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные) " 05.08.03 "Проектирование и конструкция судов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в ЗАО «Центральный научно-исследовательский институт судового машиностроения»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Александров В.Л., доктор технических наук, профессор Веселков В.В., доктор технических наук, профессор Подольский М.Е.

Ведущая организация: ГУП ЦНИИ технологии судостроения

Защита состоится ¿Оо» ноября 2005 г в 11 часов

на заседании диссертационного совета Д212.228.03 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, дом 3, СПбГМТУ, актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт- Петербургского государственного морского технического университета

Автореферат разослан «. октября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

профессор

А. П. Сеньков

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современный этап развития информационных технологий дает дополнительные возможности для производства судового оборудования, например, с использованием средств информационных сетей, и для налаживания взаимодействия между потребителем и поставщиком. Последняя проблема может быть решена методами оптимизации и визуального проектирования. Полученные объективные оценки позволят вести адекватную политику цена - качество, постоянно искать потребителей своей продукции, предлагать оборудование на взаимно выгодной основе, вести диалог с пользователем на доказательном уровне с учетом жесткой конкуренции производителей и необходимости обеспечения конкурентоспособности предлагаемой продукции.

Судовое машиностроительное оборудование оказывает определенное влияние на отдельные параметры и характеристики объектов морской техники, для которых это оборудование создается. Вместе с тем, критерии качества верхнего уровня судовых технических систем практически не учитываются при создании отечественного судового машиностроительного оборудования. В большинстве случаев обоснование технических решений при проектировании судового машиностроительного оборудования проводится на основе определения их технической допустимости и сравнения с аналогичными разработками зарубежных фирм по интегральным показателям технического уровня. Это обусловлено тем, что большая часть судового машиностроительного оборудования в основном создается для кораблей ВМФ. При этом системно - важные параметры судовых механизмов (например, масса, габариты и др. характеристики) не оказывают существенного влияния на основные технические и стоимостные характеристики корабля или их изменением при оптимизации в процессе проектирования можно пренебречь.

Начиная с 1992 года, началось сокращение военных заказов для ВМФ России. Судостроительным предприятиям приходится все больше и больше искать гранедан-ские заказы. Доля гражданской продукции за последние 5 лет на российских верфях выросла с 5% до 27-30%.

Предполагается, что спрос внутреннего рынка граиеданского судостроения будет стимулировать производство судов и технических средств для освоения уникальных месторождений нефти и газа на Арктическом шельфе России и шельфе Каспийского моря. Прогнозируется выпуск широкой гаммы транспортных, обслуживающих и технических судов, плавсооружений, приспособленных для работы в тяжелых климатических условиях.

Гражданское судостроение имеет более широкие возможности для использования зарубежного комплектующего оборудования.

В этих условиях проблемы совершенствования и повышения качества отечественного судового оборудования, обеспечения его конкурентоспособности на мировом рынке имеют существенное значение

Именно эти проблемы явились основанием для выполнения настоящей работы, посвященной разработке и оптимизации судового машиностроительного оборудования и систем морской техники. В работе определяются те аспекты оптимизации судового оборудования, которые предполагается развить, а именно: техническое совершенствование изделий с отслеживанием как положительных, так и отрицательных факторов применяемых новаций, применение технико - экономических методов оптимизации сложных технических систем, включающих проектируемые объекты в качестве элементов и подсистем, и использование этих методов в процессе опережающего проектирования судового машиностроительного оборудования.

В процессе внедрения системных методов в оптимизацию судового оборудования возникает масса проблем, три основополагающие из которых рассмотрены в работе. Это проблемы достоверности и информативности критериев эффективности и проблема разрыва во времени между созданием и применением судового машиностроительного оборудования.

Последняя проблема вполне очевидна и заключается в том, что создание серийных образцов изделий судового машиностроения требует значительного периода времени исследований, проектирования, изготовления и испытания образцов, организации производства. В этих условиях разрабатываемые модели системной оптимизации позволяют определить наиболее перспективные образцы, сконцентрировать на них имеющиеся ресурсы и продвигать их, доводя до инновационного уровня с последующим возвратом вложенных средств. При определении характеристик перспективных образцов помогают государственные и отраслевые стандарты.

В процессе опережающего системного проектирования судового оборудования оптимизироваться должны не только проектируемые образцы, но и те суда и другие объекты морской техники, на которых проектируемое оборудование будет применено. Существует неопределенность в характеристиках этих объектов, вызванная разрывом во времени, обозначенном выше, а также периодом последующего использования оборудования. К неопределенности характеристик объектов верхнего иерархического уровня добавляется значительная погрешность прогнозирования их технико-экономических характеристик и незначительный относительный вклад проектируемого оборудования в составляющие эффективности систем верхнего уровня иерархии. Превышение погрешности определения глобальных критериев эффективности над приращением этого критерия от применения проектируемого объекта лишает возможности прямого применения этих критериев для оптимизации судового оборудования и приводит к необходимости использования иных критериев оценки эффективности принимаемых технических решений по судовом оборудованию.

Цель работы. Основной целью диссертации является обоснование и разработка основных направлений совершенствования и повышения качества судового машиностроительного.

В качестве методической основы решения этой проблемы принят системный подход, при котором объекты исследований рассматриваются как часть весьма сложной системы - судна -, которое, в свою очередь, также является объектом проектирования, производства и эксплуатации.

Основные задачи исследования.

1. Анализ судового машиностроительного оборудования с целью выделения для исследования основных групп судового машиностроительного оборудования. Рассмотрение особенностей работы и требований к характеристикам основных типов судовых механизмов.

2. Разработка технических предложений по совершенствованию якорно-швартовных механизмов, рулевых машин, приводов успокоителей качки, судовых электрогидравлических кранов общего и специального назначения, систем передачи грузов в море на ходу, устройств транспортировки вертолета по палубе корабля, аэрофинишеров для обеспечения посадки самолетов на палубу корабля.

3. Обоснование построения критериев эффективности проектируемых объектов для доказательного принятие технических решений, оптимизирующих сложную техническую систему в целом. В процессе обоснования параметров объектов морской техники использованы критерии эффективности трех типов - локальные, глобальные и согласованные.

4. Обоснование возможности применения согласованных критериев эффективности для оценки эффективности судового машиностроительного оборудования. В первоисточниках эти критерии носят название локальных, чем подчеркивается, что они рассчитываются на уровне оптимизируемого объекта. В данной работе предлагается использовать для них наименование "согласованных критериев", поскольку к собственно локальным критериям, рассчитываемым исключительно по параметрам объекта проектирования, вводится согласующая поправка, учитывающая дифференциальные характеристики объекта верхнего иерархического уровня и позволяющая определить полный вклад проектируемого объекта в значение глобального критерия с учетом влияния данного объекта через изменение его системно-важных параметров, как прямо на сложную систему в целом, так и опосредствованно через его влияния на прочие элементы сложной системы.

5. Разработка методики оценки влияния показателей качества судового оборудования, устройств и систем на показатели эффективности морских транспортных судов, оснащаемых этим оборудованием.

6. Разработка алгоритмов анализа расчета согласованной эффективности и реализация их в виде программного обеспечения оптимизации судового машиностроительного оборудования и систем.

Методы исследований и достоверность результатов. В работе используются общие методы научного познания, как теоретические, так и экспериментальные. Применен системный подход, рассматривающий судно как сложную систему, состоящую из большого числа подсистем различного уровня.

Достоверность теоретических выводов подтверждена реальными результатами проектирования, изготовления и эксплуатации судового оборудования, а также посредством испытаний оборудования в период швартовых и ходовых испытаний судов.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в решении сформулированной научной проблемы и получении следующих научных результатов:

1. Проведен анализ судового машиностроительного оборудования и механизмов. По функциональному признаку выделены для исследования следующие группы судового оборудования:

-палубные механизмы: якорно-швартовные шпили и брашпили, лебедки всех типов и назначений;

-устройства управления направлением движения судна: рулевые машины, приводы подруливающих устройств, силовые приводы успокоителей качки; -грузоподъемные механизмы: стреловые устройства, судовые краны, кран-балки: краны-манипуляторы, мостовые краны машинных отделений;

-комплексы корабельных устройств: устройства для приема и передачи сухих и жидких грузов в море на ходу, комплексы устройств для приема летательных аппаратов на палубу корабля.

2. Рассмотрены особенности работы и требования к характеристикам основных типов судовых механизмов.

Показаны технические предложения по совершенствованию якорно-швартовных механизмов, рулевых машин, приводов успокоителей качки, судовых электрогидравлических кранов общего и специального назначения.

Разработан универсальный судовой палубный кран, обеспечивающий как выполнение обычных погрузо-разгрузочных операций, так и передачу грузов траверзным способом с судна на судне или на стационарный объект в условиях волнения моря.

3. Представлены различные схемы передачи грузов в море на ходу, среди них наиболее популярные системы траверсной передачи грузов, обеспечивающие передачу не только сухих и жидких грузов, но и передачу на принимающее судно людей сменных команд экипажей и др. Приведены основные управления динамики судовых канатных дорог (СКД) в безразмерной форме. Определены основные параметры модели СКД, позволяющие распространить результаты моделирования на натурные условия.

4. Предложена оригинальная конструкция устройства для транспортировки вертолета по палубе корабля. В ее основу заложен принцип обеспечения синхронной работы гидравлических лебедок с постоянным натяжением тросов, сохранением неизменного расчетного усилия в тянущем тросе, варьированием усилия в тормозном тросе в зависимости от условий качки и ветровой нагрузки. Устройство автоматически реагирует на внешние вращающие воздействия качки и ветра, не допускает провисания тросов и, как следствие, рывков и неравномерности движения транспортируемого объекта на палубе корабля.

5. Приведены технические решения по созданию тросового аэрофинишера, предназначенного для использования на современных авианесущих кораблях с целью эффективного сокращения длины пробега и торможения палубных летательных аппаратов при их посадке на полетную палубу корабля с высокой посадочной скоростью. Разработаны математические модели основных элементов гидравлической системы аэрофинишера, позволяющие определить функциональные и конструктивные параметры основных узлов аэрофинишера в зависимости от характеристик летательных аппаратов.

6. Для решения задач оптимизации судового машиностроительного оборудования обосновано построение критериев эффективности проектируемых объектов и доказательное принятие технических решений, оптимизирующих сложную техническую систему в целом, а не объект проектирования в ущерб сложной системе. В процессе обоснования параметров объектов морской техники использованы критерии эффективности трех типов - локальные, глобальные и согласованные. Первые рассчитываются на уровне объекта проектирования. Эти критерии эффективности могут найти применение в случае, если системно-важные параметры объекта проектирования, оказывающие влияние на характеристики других объектов, входящих в состав сложной технической системы, остаются неизменными или их изменение пренебрежимо мало. В качестве локального критерия экономической эффективности судового оборудования может быть использована полная совокупность затрат, связанная с эксплуатацией этого оборудования, находящая свое выражение в форме приведенных затрат по оптимизируемому оборудованию. В случае изменения в процессе проектирования оборудования его системно-важных параметров, например, массы, габаритов или затрат топлива, локальный критерий эффективности не обеспечивает достоверной оптимизации объекта верхнего уровня - транспортного судна.

7. Показано, что при помощи глобальных критериев могут обосновываться лишь крупные технические решения, изменения которых приводят к изменениям критерия большим, чем погрешность его определения. На разных стадиях проектирования судна эта погрешность различна, особенно она велика на ранних стадиях, в том числе, при обосновании типоразмерных рядов и проектировании типоразмеров судового оборудования. Учитывая, что на этих этапах стоимость судна определяется с погрешностью до ±30%, в этот доверительный интервал укладывается любое техническое решение по судовому оборудованию. Можно сделать вывод о неприменимости глобальных критериев, рассчитываемых по объекту верхнего уровня, для оптимизации технических решений по судовому оборудованию.

системы. Получено аналитическое выражение для такого приращения, основанное на замене частных производных глобального критерия эффективности по системно-важным параметрам на значение дифференциала, вычисляемого в базовой точке. Устранение из рассмотрения большей части подсистем судна, не изменяющихся от применения рассматриваемого технического решения и в то же время создающих основную долю погрешности, позволяет существенно увеличить достоверность выбора решений оптимизирующих судно. Согласованный критерий обладает достаточной информативностью - комплексным свойством объективности и достоверности, позволяющим проводить оптимизацию технических решений, не обладающих требуемым уровнем значимости (величиной приращения эффективности) по сравнению с погрешностью определения глобального критерия на ранних стадиях проектирования судов.

9. Рассмотрены способы оценки влияния показателей качества судового оборудования, устройств и систем на показатели эффективности морских транспортных судов, оснащаемых этим оборудованием. Применение согласованного критерия эффективности способно обеспечить требуемый уровень информативности при оптимизации судового машиностроительного оборудования при его опережающем проектировании. Предложены аналитические методы определения комплексных показателей качества оборудования в виде локальных критериев и системных поправок. Получены зависимости для составляющих согласованного критерия в функции системно-важных показателей качества и технических параметров судового оборудования. Предложены алгоритмы для обоснования технических решений по судовому оборудованию.

10. Установлено, что избранная для анализа совокупность представителей судового машиностроительного оборудования - судовые подъемно-транспортные машины и палубные механизмы при всем их разнообразии по существу идентичны по своей структуре, функциям и составу оборудования. Во всех них в том или ином варианте повторяется грузовая лебедка с приводом, соединительными устройствами, передачей, тормозными устройствами, грузоподъемным механизмом - барабаном, звездочкой или турачкой, тросом, шкентелем или цепью, системой блоков. Методика их проектирования в основе едина с частными вариациями относительно режима работы и диапазонов рекомендуемых значений параметров. Таким образом, разработка методики оптимизации одного типа оборудования - грузовых лебедок охватывает большую группу оборудования - кранов всех типов и назначений, буксирных устройств, рыбопромысловых механизмов, якорно-швартовных машин, лебедок всех назначений.

11. Показано, что важнейшим фактором проектирования судового оборудования является стандартизация конструкций, материалов, узлов, элементов судовых устройств, изделий конечного уровня, поскольку в процессе проектирования грузовых лебедок и других подобных им элементов судовых устройств происходит варьирование совокупности контролируемых параметров, в том числе конструктивной схемы, типов и типоразмеров приводных двигателей, конструктивных элементов, соединений, опорных узлов, передач мощности, материалов, способов обработки, взаимного расположения и компоновки и др.

12. Доказано, что достижение экстремума функции цели возможно только комплексное - компромиссное, характерное для каждого конкретного сочетания внешних факторов. В связи с опережающим проектированием судового оборудования оценка его оптимальных параметров производится с учетом типоразмеров судов перспективной постройки. В процессе же выбора типоразмера машины для вновь проектируемого судна оценивается эффективность существующих типоразмеров, планируется возможное изменение цены в зависимости от показателей качества оборудования, реализуемого на данном судне, и рассматриваются возможные изменения комплектации с учетом типорядов комплектующего оборудования машин.

ние вариантов судового оборудования, отличающихся анализируемыми техническими решениями, с достаточной достоверностью и информативностью. Учитывая широкий спектр номенклатуры судового машиностроительного оборудования, модель согласованной оптимизации разрабатывалась как универсальная - инвариантная к виду и типу проектируемого оборудования. Особенности должны учитываться при разработке моделей проектирования конкретного оборудования, которые, очевидно, специфичны. Подобные модели должны обеспечить выработку численных значений технических характеристик, входящих в состав показателя качества анализируемого оборудования и определяющих эффективность функционирования оборудования в составе судна.

14. В качестве критерия согласованной системной эффективности судового оборудования разработанная модель использует величину дополнительно получаемой прибыли от эксплуатации судна, оборудованного анализируемым оборудованием по сравнению с этим же судном с базовым вариантом оборудования. Дополнительная прибыль может быть получена от экономии расходов по оборудованию, включая плату за пользование капиталом в размере стоимости оборудования и расходов энергии на функционирование оборудования. Кроме этого, прибыль может быть получена от изменения годового объема транспортной работы судна вследствие изменения системно-важных параметров оборудования.

15. Установлено, что дополнительная прибыль - основной критерий эффективности. При получении его положительного значения прибыль увеличивается. Однако в тех случаях, когда увеличивается первоначальная стоимость оборудования, следует проанализировать эффективность использования дополнительных капитальных вложений. Для реализации такой возможности модель обеспечивает вычисление нормы прибыли - выраженного в процентах отношения годовой прибыли к дополнительным капитальным вложениям.

Объективная оценка эффективности судового оборудования и систем обеспечивается одновременным анализом двух выражений эффективности. При получении дополнительной прибыли следует оценить объем этой прибыли, сравнить его с дополнительными капитальными вложениями и установить период их окупаемости.

16. Разработаны реализации методики анализа согласованной эффективности в среде WINDOWS - приложения, обеспечивающего дополнительные возможности - визуализацию процесса проектирования. В качестве примера применения средств визуализации выполнено исследование влияния скорости подъема груза на согласованную эффективность грузовой системы сухогрузного судна. Применение визуальных моделей позволяет облегчить проведение исследований влияния изменения параметров судового машиностроительного оборудования на эффективность их применения на судах.

17. Разработаны модели проектирования принятой для анализа номенклатуры судового машиностроительного оборудования, в том числе грузовых лебедок с электроприводом, палубных кранов общего назначения с электро-гидроприводом основных механизмов, электро-гидроприводных рулевых машин плунжерного типа. Разработанные модели позволяют установить количественное влияние контролируемых при проектировании параметров на составляющие критериев согласованной системной эффективности.

18. С использованием разработанных моделей критериев эффективности и моделей проектируемого оборудования выполнены примеры расчетных исследований эффективности грузовых лебедок, электрогидравлических палубных подъемных кранов, систем траверзной передачи грузов в море на ходу судна.

Практическая ценность. Практическую ценность представляют:

результаты анализа состояния и направлений технического совершенствования судового машиностроительного оборудования и корабельных комплексов, обоснованно построенные критерии эффективности проектируемых объектов, позво-

ляющие доказательно принять технические решения, оптимизирующие сложную техническую систему в целом, а не объект проектирования;

разработанные алгоритмы анализа согласованной эффективности, реализованные в виде программного обеспечения оптимизации судового машиностроительного оборудования и систем;

созданные математические модели, обеспечивающие сравнение вариантов судового оборудования, отличающихся анализируемыми техническими решениями, с достаточной достоверностью и информативностью с учетом широкого спектра номенклатуры судового машиностроительного оборудования и использующиеся предприятиями при проектировании и создании судового машиностроительного оборудования.

Реализация полученных в работе результатов. Результаты работы нашли свое воплощение в многочисленных образцах новой техники, разработанных и созданных ЦНИИСМ и Пролетарским заводом.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на региональной научной конференции «Военная наука и образование городу» (1997 г); на второй международной конференции по судостроению ISC98 (1998 г); на Международной выставке-семинаре в Финляндии (1999 г); на Международной конференции "Технология судостроения и судоремонта на пороге XXI века" (1999 г); на всероссийской конференции «Военно-морской флот и судостроение -2001 (2001 г); на выставке-конференции в г. Хельсинки, посвященной 175-летию ОАО «Пролетарский завод» (2001 г); на конференции в СПбГТУ «Современные технические устройства для освоения подводной среды Мирового океана»(2002 г.); на 5-м съезде Петербургского Союза ученых, инженеров и специалистов производства (2002 г); на I-конференции "Судовое машиностроение" НТО им. Акад. А.Н. Крылова (2002 г); на выставке-конференции, посвященной 10-летию СПб инженерной академии (2003 г); на II конференции "Судовое машиностроение" НТО им. Акад. А.Н. Крылова (2003 г); на III конференции "Судовое машиностроение" НТО им. Акад. А.Н. Крылова (2003 г); на юбилейной конференции НТО им. Акад. А.Н. Крылова (2004 г); на конференции НТО им. Акад. А.Н. Крылова, посвященной 300 -летию ГУП « Адмиралтейские верфи» (2004 г)

На защиту выносятся:

1.Результаты анализа современного состояния и основных направлений технического совершенствования судового машиностроительного оборудования и судовых комплексов.

2. Согласованные критерии эффективности, используемые для обоснования решений по проектируемым объектам, в которых к собственно локальным критериям, рассчитываемым исключительно по параметрам объекта проектирования, вводится согласующая поправка, учитывающая дифференциальные характеристики объекта верхнего иерархического уровня и позволяющая определить полный вклад проектируемого объекта в значение глобального критерия с учетом влияния данного объекта через изменение его системно-важных параметров, как прямо на сложную систему в целом, так и опосредствованно через его влияния на прочие элементы сложной системы.

3. Аналитические выражения для согласованных критериев эффективности, основанные на замене частных производных глобального критерия эффективности по системно-важным параметрам на значение дифференциала, вычисляемого в базовой точке.

4. Разработанные алгоритмы анализа согласованной эффективности, реализованные в виде программного обеспечения оптимизации судового машиностроительного оборудования и систем. Разработанная математическая модель обеспечивает сравнение вариантов судового оборудования, отличающихся анализируемыми техническими решениями, с достаточной достоверностью и информативностью.

5. Предложенные технические решения проблем транспортировки вертолета на палубе корабля и передачи грузов в море, актуальной для Военно-Морского и

рыбопромыслового Флотов при решении некоторых задач коммерческого судоходства и добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 56 научных трудов, в том числе монография (2 тома), 19 научных статей, 10 тезисов докладов, 10 научно-технических отчетов, 5 статей в изданиях по списку ВАК, 12 патентов на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы. Общий объем -318 е., 155 рис., 85 табл., список литературы включает 101 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована научная проблема и основные цели работы.

Основной целью диссертации является обоснование и разработка основных направлений технического совершенствования и повышения качества судового машиностроительного оборудования в новых экономических условиях с учетом необходимости обеспечения конкурентоспособности на мировом рынке. В качестве методической основы решения этой проблемы принят системный подход, при котором объекты исследований рассматриваются как часть весьма сложной системы -судна -, которая, в свою очередь, является объектом проектирования, производства и эксплуатации.

Рис.1.Схема якорно-швартовного устройства с брашпилем

1-лебедка; 2-закладной стопор; З-якорная цепь; 4-клюз; 5-якорь; б-цепной ящик; 7-электродвигатель; 8,12- турачка; 9,11- якорная звездочка; 10-редуктор

Рис.2.Однопалубный якорно-швар-товный шпиль с электроприводом

I- отбойная скоба; 2- кулачковая муфта; 3- турач-ка ; 4-маховик подключения звездочки; 5- зубчатая муфта; 6 - неподвижный палубный стакан; 7-приводнон вал; 8- цепная звездочка; 9- выходной вал редуктора; 10- шкив ленточного тормоза; 11-псевдопланетарная ступень редуктора; 12- червячная ступень редуктора; 13- электродвигатель; 14- колонка; 15- маховик

В первой главе выполнен анализ современного состояния судового машиностроительного оборудования механизмов и перспектив их развития.

Термин "судовое машиностроительное оборудование" охватывает исключительно широкий спектр изделий машиностроительных предприятий, предназначенных специально для использования на объектах морской техники и обеспечивающих выполнение функций, специфических для таких объектов. Совокупность специфических функций и определяет состав этой группы изделий.

В настоящей работе рассматриваются механизмы , реализующие функции, связанные с удержанием судна при остановке на рейде и у причалов, изменением

направления движения и удер-I ^^ !-.6 жанием на курсе, проходом уз-

костей и подходом к причалу, снижением качки, спуском спасательных средств, приемом и передачей грузов в различных условиях эксплуатации, а также специальные механизмы, предназначенные для приема на палубу летательных аппаратов.

Учитывая функциональный признак и локализацию производства, можно выделить следующие группы оборудования судового машиностроения: - палубные механизмы - якор-но-швартовные шпили и брашпили, лебедки всех типов и назначений (рис.1-3);

устройства управления направлением движения судна -рулевые машины (рис.4), приводы подруливающих устройств, механизмы силовых приводов успокоителей качки; - грузоподъемные механизмы - стреловые устройства, судовые краны (рис.5), кран-балки, мостовые краны машинных отделений судов;

: Л-. : I

: I

,.....<

1 11l 1

Рис.3. Схема швартовной лебедки с электроприводом приставки

1-турачка; 2-датчик числа оборотов; 3-ленточ-ный тормоз; 4,5-нако-пительная и рабочая части барабана; 6-грузовой вал; 7- кулачковая муфта привода брашпильной приставки; 8-про 8-промежуточный вал; 9-датчик усилия в канате; 10-промежуточный вал; 11-барабан; 12-редуктор; 13-электродвигатель; 14-привод переключения кулачковой муфты; 15-стойка

Рис.4. Рулевые машины типа РМ, выполненные по схеме All 1,10 - румпели; 2,9 - тяги; 3,8 - гидроцилиндры; 4,7 - плунжеры; 5 -плунжерная головка; 6 - направляющие

-комплексы корабельных устройств: устройства для передачи сухих и жидких грузов в море на ходу, комплексы устройств и механизмов для приема летательных аппаратов на палубу корабля.

Существенной особенностью означенного оборудования является потребление энергии для выполнения важных для судна функ-8 ций. Внутри указанных групп оборудования 8 реализуется преобразование электрической и гидравлической энергии судовых систем в механическую энергию исполнительных механизмов. Рассмотрены особенности работы и требования к характеристикам основных типов судовых механизмов.

Общие технические требования к судовому машиностроительному оборудованию установлены рядом документов, основными из которых являются Правила Морского Регистра РФ, Международная конвенция по охране человеческой жизни на море "Солас-74" с после-„ дующими поправками, Государственные и от-

Рис.5.Судовой кран раслевые стандарты. На основе нормативных

документов сформулированы требования к характеристикам якорных, швартовных и буксирных устройств. Приводятся зависимости для определения "нормы снабжения"-характеристики, в зависимости от которой определяются все прочие элементы этих устройств. Приведены методики определения расчетных параметров рулевых устройств, в том числе усилий на пере руля и моментов на баллере. Рассмотрены особенности работы грузовых устройств и требования к их характеристикам.

Во второй главе представлены основные направления технического совершенствования судового машиностроительного оборудования: палубных якорно-швартовных механизмов, рулевых машин, приводов успокоителей качки, грузоподъемных механизмов, а также комплексов корабельных устройств и механизмов.

Повышение эффективности палубных механизмов происходит путем уменьшения их массогабаритных показателей, повышения энергетической эффективности механизмов во всем спектре режимов эксплуатации, повышения надежности оборудования, применения систем автоматизированного и дистанционного управления и контроля работы механизмов, применения микропроцессорной техники в системах управления, опережающего удовлетворения требований классификационных обществ и международных соглашений.

Значимым направлением в решении задач совершенствования палубных механизмов является разработка специализированных конструкций и применение средств автоматизации процессов выполнения операций, отличающихся повышенной длительностью и трудоемких при ручном выполнении. Разработка типоразмерных рядов швартовных лебедок и брашпильных приставок позволяет упростить конструкции каждого из механизмов, уменьшить массогабаритные и стоимостные показатели, расширить спектр применения швартовных лебедок,уменьшить зависимость отечественного судостроения от иностранных производителей.

Задачи повышения эксплуатационно-технических и технико-экономических характеристик рулевых приводов реализуются путем совершенствования их конструкций, разработкой новых типов рулевых машин, применением новых материалов для узлов трения, в том числе для работы в погруженном состоянии, типизацией рулевых машин, разработкой отраслевых и национальных стандартов на отдельные элементы рулевых приводов и на рулевые комплексы в целом, усовершенствованием систем гидропривода рулевых машин, при-

менением оборудования систем гидропривода с повышенными характеристиками, применением лучших мировых образцов лицензионного оборудования, его доработкой и усовершенствованием, разработкой систем прогнозирования остаточного ресурса РМ, усовершенствованием систем управления, адаптацией рулевых машин к зарубежным системам управления.

Рулевые машины всех рассмотренных в настоящей работе перспективных типов имеют свои области преимущественного применения в связи с противоречивым влиянием конструкции и технических параметров на отдельные составляющие качества. Например, рулевые машины поршневого типа обладают уменьшенными массогабаритными характеристиками. Для использования на судах и кораблях рулевого привода с повышенной мощностью перспективны электрогидравлические машины с плунжерным приводом, обладающие большей массой и габаритами, но имеющие повышенные показатели безотказности, ремонтопригодности и долговечности. При проведении научных исследований была поставлена задача предложить и разработать для рулевых машин средней и большой мощности такую конструкцию привода, которая при сохранении преимуществ плунжерного привода по долговечности и ремонтопригодности приближалась бы по массогабаритным характеристикам к поршневым приводам и одновременно исключала такие недостатки поршневого привода, как трудоемкость изготовления, неудовлетворительные ремонтопригодность и стойкость к ударным и вибрационным нагрузкам, необходимость установки гибких шлангов, передачу изгибающего момента на баллер руля, а также отличалась простотой конструкции.

В результате поиска и проработок, а также анализа отечественных и зарубежных конструкций для рулевых машин средней и большой мощности была предложена нетрадиционная конструктивная и кинематическая схема силового привода к баллеру руля с плунжерной кулисой и синусной зависимостью хода плунжера от угла перекладки руля (рис. 6).

Рис.6. Плунжерный привод с шарнирным соединением румпеля с плунжером

1 - гидроцилиндр; 2- плунжерная кулиса; 3-сухарь пальца; 4 - палец ; 5 - румпель

МкрА

Мном

Рис.7. Зависимости от угла перекладки ного поивола

крутящего момента руля для плунжер-

Этот тип привода отличается простотой конструкции. В нем отсутствуют направляющие балки и ползуны, меньше деталей и пар трения, значительно проще по конструкции румпель. В результате массогабаритные характеристики, а также трудоемкость изготовления и технического обслуживания при эксплуатации на 20...30% меньше, чем у находящихся в производстве и эксплуатации приводов.

Кроме того, учитывая, что поперечные нагрузки на плунжер, а, следовательно, и удельные давления в направляющих втулках и уплотнительных узлах, а также их износ, в этом приводе существенно ниже, следует ожидать и дальнейшего повышения показателей по долговечности и ресурсу. Этому способствует также характер нагрузочной характеристики привода М = Ца) (рис.7) На малых углах перекладки руля (ход судна по курсу) давление, развиваемое насосом, нагрузка на детали и узлы привода будут меньше, а показатели привода по ресурсу выше. Приводы плунжерного типа с кулисной передачей перспективны для использования в качестве активных успокоителей качки. В работе показано применение данного типа приводов для отечественных успокоителей качки типа УК-4,5 и УК-6.1.

Отечественные палубные краны (рис.8-11) - вспомогательные и общего назначения - отвечают самым высоким современным требованиям к оборудованию такого назначения и востребованы на мировом и отечественном рынках. Их высокие характеристики достигнуты в результате творческого освоения лицензионных образцов, их постоянного совершенствования и разработки оригинальных конструкций.

Высоких показателей удалось достигнуть в значительной мере в результате применения усовершенствованных моделей гидропривода. Использование принципа автоматического уменьшения подачи насоса с возрастанием нагрузки на механизмы крана дало возможность снижать скорость основных движений на режимах перегрузки, а, следовательно, и сохранять

12.

электрогид-

Рис.8. Вспомогательный равлический кран КМ-1,5. 1-поворотная стойка; 2-насосный агрегат; 3 -кресло оператора ; 4-блок управления левый; 5-блок управления правый; 6-балка; 7-гидроцилиндр; 8-гидроцилиндр; 9 - лебедка; 10-грузовой канат; 11-рычаг; 12- гак; 13-механизм стопорения;14-основание

Трап-стрела

используемую приводом мощность постоянной и равной заранее выбранной. Учитывая незначительное время действия нагрузок свыше 40% от номинальных, снижение средней скорости за цикл работы крана не наблюдается.

В целом проведенные работы по совершенствованию характеристик и эксплуатационных качеств судовых электрогидравлических кранов и расширение их номенклатуры позволило значительно поднять их конкурентоспособность. Использование современной технологии изготовления, а также комплектующего оборудования, изготовляемого на предприятиях России, позволило обеспечить снижение ценовых показателей кранов на 20...30% и более Рис.9. Габаритный чертеж крана-трапа для по сравнению с аналогичны-

спасательных судов ми импортными образцами.

В работе представлены технические решения по созданию судовых электрогидравлических кранов, позволяющих обеспечить различные типы судов неограниченных районов плавания современным оборудованием для выполнения грузовых операций.

Современные гражданские суда и боевые корабли представляют собой высокомеханизированные, энергетически автономные самотранспортирующиеся объекты. Они оснащаются сложными комплексами различных механизмов, устройств и систем, выполняющими разнообразные функции: швартовка и движение судна, погрузка-выгрузка и внутри корабельная обработка грузов, обеспечение условий обитаемости и производственных процессов, использование оружия и многое-многое другое.

Механизация и автоматизация процессов, связанных с приложением больших управляемых усилий, передачей существенных мощностей на значительные расстояния, с дистанционным выполнением оперативных и требующих высокой точности исполнения работ, обусловливают применение

Рис. 10. Общий вид специального крана КЭГ 25 7/5 грузоподъемностью 2,5 т для постановки-снятия буев

1-основание;2-корпус крана;3,4,5-гидрацилиндры; 6,7-груэовые гаки;8-груэовои шкив;9-груэовые лебедки;10-рама;11-дверь;12-механизм поворота;13-поворотный подшипник

приводов различных типов, необходимость их постоянного совершенствования.

Возрастающие требования к выполняемым приводами движениям, обеспечение

а) -работа крана на причале; б) -работа крана со слежением; в) - работа крана при траверсной передаче груза

Рис.11. Универсальный судовой кран

1 - корпус; 2 - лебедка грузовая; 3 - барабан натяжной; 4 - барабан грузовой; 5 - лебедка следящая; б -основная секция; 7 - хобот; 8 - гидроцилиндры; 9 - обойма поворотная; 10 - нок поворотный; 11 - подвеска грузовая; 12 - якорь-груэ; 13 - канат следящей лебедки; 14 - канат несущий; 15 - канат грузовой; 16 - тележка грузовая; 17 - блок принимающий; 18 - передающее судно; 19 - принимающее судно

взаимосвязи одновременных перемещений нескольких рабочих органов машины или ряда органов технологических производственных линий при оптимальных показателях и заданных ограничениях многократно усложняют функции управления приводами. Поэтому важнейшее значение приобретает внедрение в контуры управления процессорной техники, решение задач её совместимости с механическими устройствами в условиях корабля.

По виду используемой энергии широкое применение на судах получили электрические, гидравлические и пневматические приводы. При выборе комплектного привода оценивают не только такие показатели, как надежность, ремонтопригодность, быстрота определения неисправности и её устранения, затраты труда и времени на создание, наладку и освоение, но и быстродействие, устойчивость работы в условиях качки и ходовых вибраций, точность согласования изменяемых выходных координат с законом управления.

Проблема передачи грузов в море актуальна для Военно-Морского и рыбопромыслового флотов, а также для решения некоторых задач коммерческого судоходства и добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов. Особенно актуально решение этой проблемы для ВМФ, так как боевые возможности кораблей в значительной степени определяются их автономностью, которая зависит от наличия на борту кораблей топлива, смазочных материалов, пресной и котельной воды, боеприпасов, запчастей, расходных материалов и провианта, а также отдохнувшего и боеспособного персонала.

Без надежного, бесперебойного снабжения, без систематического пополнения всех необходимых запасов корабли и соединения не мо1ут выполнять боевые задачи в длительном отрыве от своих баз. Это вызывает необходимость создания быстроходных судов снабжения, оборудованных специальными устройствами передачи грузов между судами в море на ходу. В сущности, материально-техническое снабжение боевых кораблей в море на ходу эквивалентно увеличению их числа в соединении.

Среди известных способов для проведения перегрузочных операций наиболее прогрессивный - траверзный, который характеризуется высокой эффективностью и обеспечивает одновременное снабжение сухими и жидкими грузами нескольких кораблей при качке судов на морском волнении до 5 баллов включительно. При передаче грузов в море траверзным способом суда следуют параллельными курсами с одинаковой скоростью хода, соблюдая при этом установленную дистанцию, исключающую контакт кораблей. Внедрение траверсного способа передачи грузов в море создает большие перспективы для дальнейшего роста производительности труда при грузовых операциях. Кроме того, траверзный способ позволяет осуществлять передачу людей с корабля на корабль в открытом море, что приобретает исключительное значение при смене экипажей боевых кораблей в районах патрулирования

Отличительной особенностью судовой канатной дороги (СКД) является подвижность ее точек подвеса, обусловленная качкой судов на морском волнении и взаимным продольным смещением взаимодействующих судов из-за погрешностей стабилизации их скоростей хода. В процессе качки оба судна или, конкретнее, две их характерные точки (точки подвеса) совершают сложные колебательные движения, носящие случайный характер. В этих условиях, во-первых, необходимо создавать и поддерживать практически постоянное натяжение канатов и, во-вторых, обеспечивать заданное движение грузовой тележки (для устройств передачи сухих грузов) относительно передающей и принимающей мачт.

СКД представляет собой достаточно сложную деформируемую систему с изменяющейся совокупностью материальных тел, участвующих в процессе нестационарного движения и деформации. В процессе ее проектирования возникает необходимость выбора основных параметров канатов, барабанов лебедок и многих других характеристик. Это практически невозможно сделать без модельных испытаний. При проведении модельных испытаний необходимо установить правомерность распространения результатов модельных испытаний на натурные условия.

В работе приведены основные уравнения динамики СКД в безразмерной форме. Определены основные параметры модели СКД, позволяющие распространить результаты моделирования ни натурные условия. Расчетная схема СКД представлена на рис.12.

Рис.12. Расчетная схема трехканатной системы СКД

Использование на современных кораблях летательных аппаратов, в частности вертолетов, выполняющих различные боевые задачи, потребовало создания специального высоконадежного устройства для их транспортировки на палубе в условиях качки и воздействия порывов ветра.

Работа устройства транспортировки должна быть согласована и даже синхронизирована с рядом других корабельных систем, устройств и комплексов, в частности, с устройствами открывания-закрывания ворот полетного ангара, комплексами перезарядки боевых средств вертолета и др. Таким образом, речь идет о сложном комплексе механического оборудования, расположенного на вертолетной площадке, в ангаре и подпалубных помещениях, выполняющем задачу обеспечения использования вертолетов на кораблях. Устройство транспортировки вертолета является наиболее сложным в составе указанного комплекса. Предложена оригинальная конструкция устройства для транспортировки вертолета по палубе корабля. В её основу заложен принцип обеспечения синхронной работы гидравлических лебедок с постоянным натяжением тросов, сохранением неизменного расчетного усилия в тянущем тросе, варьированием усилия в тормозном тросе в зависимости от условий качки и ветровой нагрузки. Устройство автоматически реагирует на внешние возмущающие воздействия качки и ветра, не допускает провисания тросов и, как следствие, рывков и неравномерности движения транспортируемого объекта на палубе корабля как в одном, так и в другом направлениях. Комбинированная схема устройства для транспортировки вертолета представлена на рис.13.

Современные авианосцы, несущие на себе реактивные самолеты горизонтального взлета и посадки оборудуются специальными взлетно-посадочными средствами: катапультами, аэрофинишерами и аварийными барьерами. Необходимость размещения на авианосцах специальных взлетно-посадочных средств вызвана тем, что ограниченные размеры полетных палуб и высокие взлетные и посадочные скорости корабельных летательных аппаратов требуют тягу двигателя и энергоемкость тормозов, которые не могут быть размешены на самолетах.

Взлетно-посадочные средства авианосцев должны обеспечивать разгон самолета до 300 км/ч при длине разбега около 100 м и его торможение при скоростях посадки до 250 км/ч на пути до 110 м. Взлетно-посадочный комплекс, включающий катапульты, аэрофинишеры и аварийный барьер, с указанными характеристиками был разработан применительно к первому отечественному тяжелому авианесущему крейсеру (ТАКР) с самолетами горизонтального взлета и посадки, обозначаемые ниже как ЛАК - летательные аппараты корабельные.

Рис.13.Комбинированная схема совместной работы лебедок устройства для транспортировки вертолета 1 - отсечной гидрораспределитель; 2, 18 - гидроцилиндры тормозные; 3, 10 - барабаны тросовых лебедок Л, и Л2: 4, 11 - гидромоторы лебедок Л, и Л2; 5, 12 - клапаны челночные; 6 - транспортируемый объект (вертолет); 7, 7 ' - трос; 8, 9 - блоки; 13 - гидрораспределитель; 14 - бак пополнительный; 15 - насос регулируемой подачи; 16 - клапан предохранительный; 17 - насос постоянной подачи; 19 - буксировочное устройство; 20 - насосный агрегат

В отличие от катапульт и аэрофинишеров авианосцев США к отечественным предъявлялись более жесткие требования: при меньших длине разгона катапульты, длине и ширине посадочной палубы следует обеспечить взлет и посадку самолетов с большей кинетической энергией. Создание таких устройств потребовало решения целого ряда технических проблем, так как параметры механизмов взлетно-посадочного комплекса являлись экстремальными для судового машиностроения: давление в гидроцилиндрах аэрофинишера достигало 1000кгс/см , а в гидротормозе катапульты - 3000 кгс/см , скорости поршней парового двигателя - 90 м/с, гидравлических уплотнений - 10 м/с, скорости выбирания троса лебедкой возврата - 12 м/с. Характеристики подобных устройств в технической литературе отсутствовали.

Быстротечность процессов, наличие колебательных процессов и нестационарных режимов, динамических ударных нагрузок с 10-кратными перегрузками потребовали разработки теоретических основ расчета этих процессов, проведения большого числа экспериментов, моделирования на математических и физических моделях. По результатам выполненной разработки были защищены пять диссертаций к.т.н. и получено около ста авторских свидетельств на изобретения. В процессе разработки взлетно - посадочного комплекса были разработаны не только принципиально новые комплексы механизмов, но и новые материалы, их марки и сортаменты - высокопрочные стальные канаты, уплотнительная стальная лента, антифрикционные материалы, литейные чугуны, новые технологии литья и сварки, высокоскоростные роликовые подшипники, испытательные стенды и полигоны, а также многие другие новации, давшие значительный толчок развитию отечественной промышленности и науки

Рис.14. Функциональная схема аэрофинишера

1-18-кратный полиспаст; 2 - клапан управления; 3 — тормозной трос; 4 - приемный трос; 5 - пневмогидроаккумулятор; 6 - демпфирующее устройство; 7 - охладитель; 8 — концевой демпфер; 9 - блок фильтров; 10 — привод кулачка клапана управления; 11 — распределитель; 12 - клапан возврата; 13 - тормозной цилиндр; 14 - плунжер

В последнее время диапазон масс и скоростей полета ЛА постоянно расширяется. В этих условиях большое значение приобретают вопросы безопасности полетов.

Посадка на палубу авианосца, как составная часть полета, является одним из наиболее сложных процессов, требующих безотказной работы системы торможения и квалифицированных действий пилота. Одним из факторов, влияющим на безопасность посадки, является прочность элементов конструкции системы торможения, а также ее "оптимальная настройка" на прием ЛА заданной массы на заданной скорости. При этом формулировка самих задач исследования механики подобных конструкций является чрезвычайно сложной, т.к. они являются принципиально динамическими и требуют современных подходов к решению. Функциональная схема аэрофинишера приведена на рис.14

Для исследования разнообразных сложных проблем аэрофинишера применен ряд современных наукоемких программных систем инженерного анализа - ANSYS, LS-DYNA, ADAMS, SolidWorks.

Выполненные расчетные исследования позволили определить функциональные и конструктивные параметры основных узлов аэрофинишера в зависимости от характеристик летательных аппаратов, в частности, были определены регулировочные характеристики клапана управления, который является основной частью тормозной машины и предназначен для управления процессом торможения по определенному закону в заданном диапазоне скоростей и масс, принимаемых аэрофинишером

Полученные в результате моделирования параметры и характеристики были использованы при разработке и корректировке рабочей конструкторской документации для аэрофинишеров нового поколения.

В третьей главе дано обоснование постановки задачи оптимизации судового цования, формулируются цели и задачи оптимизационного исследования, пудовое машиностроительное оборудование входит в состав функциональных комплексов судна: в состав энергетической установки - насосы, теплоооменные аппараты, сепараторы, дизель- и турбогенераторы; в состав судовых систем - насосы, арматура, трубопроводы; в состав судовых устройств - рулевые машины, якорно- швартовное оборудование, грузоподъемное оборудование и др.

оборудо! Су

|суднсГ|

О Р П У с

3 I в к УI fc С У | рГэ с | [ л | TawMAifdjnri pis'

] I СИСТЕМЫ I [

УСТРОЙСТВА

ЭЕ

Э[

РУЛЕВЫЕ! IГРУЗОВЫЕ1 Iбуксирные! ¡шлюпочные!

крань^мко! (траверсной

специальные i

I иДЕ I ¡щцтмДшм I шЬиГТ* I КЛАПАН^! Г^КЛАПА^^^

ц£вления| ^вратный| цвдночный| цроссепьный]

ашмя

Рис.15. Иерархическая схема сложной технической системы -транспортного судна. Иерархические уровни: 1 - суперкомппекс - транспортное судно; 2 - комплексы широкого спектра функций в составе судна; 3 - функциональные комплексы; 4 - функциональное оборудование; 5 - узлы функционального оборудования; 6 - агрегаты и комплексы функциональных узлов; 7 - контуры гидросистемы; 8 - гидравлическое оборудование

На рис.15 в качестве примера представлена иерархическая схема сложной технической системы - грузового транспортного судна, иерархия которого целенаправленно развита применительно к оборудованию с гидроприводом.

На рис.15 выделены следующие уровни иерархии: 1 - грузовое транспортное судно — суперкомплекс в составе сложной технической системы, уровень, на котором реализуются заложенные в судно показатели эффективности и качества в виде доходов от реализации транспортных услуг.

В составе объекта верхнего уровня могут быть выделены объекты второго (2) уровня - комплексы, обеспечивающие выполнение ряда однородных функций, в том числе: СЭУ- комплекс оборудования обеспечивающего выработку различных видов энергии, необходимых на судне; судовые устройства - совокупность оборудования, обеспечивающего выполнение ряда вспомогательных операций, необходимых для функционирования судна по прямому назначению.

На третьем (3) уровне иерархии помещены функциональные комплексы, обеспечивающие выполнение определенного ограниченного числа функционально однородных задач. Это, например, судовая электростанция, обеспечивающая выработку электроэнергии для судовых нужд; грузовые устройства, обеспечивающие погрузо-разгрузочные работы перевозимого на судне груза; рулевые устройства, обеспечивающие управление направлением движения судна и др.

К четвертому (4) уровню отнесено функциональное оборудование, выполняющее определенную законченную функцию в составе, как функциональных комплексов, так и в составе судна в целом, это, например, краны общего назначения, предназначенные для погрузки и выгрузки основных грузов, перевозимых на судне. Далее структура кранов общего назначения анализируется дополнительно.

На пятый (5) уровень вынесены крупные узлы функционального оборудования, в том числе корпус, стрелы, механизмы подъема груза, изменения вылета стрелы и поворота крана, кабины крановщика, системы управления и электрооборудование крана.

Шестой (6) уровень иерархической схемы сложной технической системы посвящен агрегатам и комплексам в составе функциональных узлов. Это пространственно соединенные узлы корпуса крана, главные и вспомогательные насосные агрегаты, включающие электропривод с навешенными с двух сторон насосами; гидросистема - совокупность трубопроводов и трубопроводного оборудования, обеспечивающая распределение рабочих тел от источников к потребителям и управление этими процессами. Более детально рассмотрен состав механизма поворота груза, включающий гидромотор, гидротормоз и зубчатый привод.

К седьмому (7) уровню отнесены контуры в составе гидросистемы, обеспечивающие выполнение отдельных работ крана и решение сопутствующих задач.

На восьмом (8) уровне помещены детали и узлы гидравлических контуров. В качестве примеров более детально рассмотрен состав грузового контура и контура управления и растормаживания. Грузовой контур получает рабочее тело (масло) от грузовых насосов и через клапанные коробки, клапана, трубопроводы и реле давления подает его к гидромоторам грузовой лебедки.

Судовое машиностроительное оборудование входит в состав сложной технической системы - судна, обеспечивая достижение целей, стоящих перед судном с наибольшей эффективностью. Вся совокупность оборудования, обозначенная на рис.15, а также прочее оборудование, являющееся элементами комплексов и узлов, состав которых на рис.15 не развит, функционируют в составе судна, выполняя каждое свои определенные задачи; вместе с тем они взаимодействуют, работая на решение задач верхнего уровня. Степень достижения целей верхнего уровня является также и критерием эффективности каждого элемента, входящего в состав сложной технической системы (СТС).

Между оборудованием различных уровней иерархии существуют сложные функциональные связи, которые должны быть установлены и учтены при разработке моделей и проведении оптимизационных исследований.

Судовое машиностроительное оборудование оказывает определенное влияние на составляющие критериев эффективности верхнего уровня СТС. Вместе с тем эти связи и влияния практически не учитываются при создании судового машиностроительного оборудования.

Изложенное позволяет установить недостаточное использование методов системного анализа при оценке эффективности технических решений по судовому машиностроительному оборудованию и насущную целесообразность привлечения этих методов к решению указанных проблем. Вместе с тем, прямое внедрение системного анализа в данную предметную область связано с целым рядом дополнительных проблем, решение которых должно опережать проведение оптимизационных исследований с применением указанных методов.

Одним из препятствий является достаточно большая сложность этих методов, требующая привлечение информации из смежных предметных областей, в частности, прогнозирования характеристик судов перспективной постройки; значительная трудоемкость и продолжительность оптимизационных исследований, выполняемых традиционными методами; недостаточная информативность глобальных критериев эффективности СТС для анализа технических решений по комплектующему оборудованию. Решение этих проблем должно опережать разработку методики оптимизации судового машиностроительного оборудования.

Предлагаемые методы согласованной системной оптимизации проектных решений, обеспечивают повышение информативности оптимизационных исследований. Созданы модели программно-целевого планирования, позволяющие обосновать состав сеток перспективных типоразмеров судов. Разработано программное обеспечение моделей экономического анализа, позволяющее снизить трудоемкость оптимизационных исследований. Разработаны и внедряются современные системы визуального проектирования, позволяющие создать максимально дружественный интерфейс между проектировщиком и вычислительными системами.

Одной из целей настоящей диссертации является разработка общих методов обоснования технических решений по судовому машиностроительному оборудованию и системам с учетом связей в сложной технической системе, включающей указанное оборудование в качестве элемента или подсистемы. Для достижения этой цели необходимо выполнить следующие работы:

1. Уточнить выражение для функции цели оптимизационного исследования. О невозможности прямого переноса рекомендаций литературных источников свидетельствует хотя бы такой факт, как разрыв во времени создания объектов верхних иерархических уровней морской техники и судового машиностроительного оборудования. Однозначным является применение согласованного критерия, однако для оптимизации судового оборудования его выражение нуждается в корректировке. В работе не предполагалось уточнять главные размерения судов при оптимизации параметров машиностроительного оборудования. В то же время учитывались конкретные особенности судов, в частности, невозможность размещения дополнительного груза на судах с большой погрузочной кубатурой.

2. Разработать математические модели объектов оптимизации, системы ограничений и критериев эффективности для судового машиностроительного оборудования в соответствии с согласованной номенклатурой и программные реализации этих моделей. Отобрать модели поиска оптимальных решений при наличии большого числа целочисленных переменных.

3. Уточнить методологию обоснования технических решений по судовому машиностроительному оборудованию и системам с учетом этапов его жизненного цикла - от проектирования до утилизации.

4. Разработать модели и выполнить оптимизационное исследование технических решений по комплектованию судового оборудования и систем, по компоновке и расположению оборудования в помещениях объектов морской техники.

5. Разработать математические модели и выполнить исследование по оптимизация технических решений для обеспечения необходимого качества стационарных и переходных процессов при совместной работе оборудования.

6. Разработать методику оптимизации сложных технических систем и оборудования морской техники с учетом особенностей взаимодействия объектов проектирования с компонентами сложной технической системы.

В четвертой главе представлен анализ методов оптимизации проектных решений.

В процессе проектирования объектов морской техники проводится обоснование принимаемых технических решений, что является основным содержанием процесса проектирования. Принимаемые решения должны быть лучшими из возможных по значению критерия оптимальности. При выборе критериев следует учитывать не только сам объект проектирования, но и ту совокупность оборудования, которая взаимодействует с проектируемым оборудованием в процессе его функционирования, оказывает на него влияние, сама подвергается его влиянию. Вся эта сложная совокупность влияний может быть подвергнута изучению с применением метода анализа сложных технических систем. Судовое машиностроительное оборудование после его установки на судно становится частью судна, и в процессе выбора оптимального варианта этого оборудования должен оптимизироваться объект верхнего иерархического уровня - судно или группа однотипных судов, использующих данное оборудование для решения задач перевозки грузов.

Применение системного анализа для изучения характеристик, проектирования и оптимизации судового оборудования требует обнаружения всех устойчивых и существенных признаков сложной технической системы. Эти признаки вполне очевидны:

СЛОЖНЫЙ ИЕРАРХИЧЕСКИЙ СОСТАВ. Морское судно или корабль - это одно из наиболее сложных инженерных сооружений. Оно включает в свой состав большое количество подсистем, каждая из которых для целей анализа может быть подвергнута дальнейшей декомпозиции на несколько уровней вниз.

ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СОПОДЧИНЕННОСТЬ целей функционирования оборудования. Для каждого вида оборудования на любом уровне характерны свои задачи, цели функционирования. Пропульсивная установка обеспечивает выработку механической энергии, парогенератор вырабатывает пар, рулевое устройство обеспечивает управление направлением движения судна и т.д. И в то же время всё указанное оборудование работает на конечную цель - перевозку грузов. Именно согласованная работа всего комплекса оборудования обеспечивает эффективное и надежное выполнение конечной задачи.

Определение цели верхнего уровня, функционированию которого в конечном итоге подчинены все более низко расположенные уровни, зависит от вида решаемой задачи. Упрощенно таким уровнем можно считать уровень, на котором платят деньги за выполненную работу - в нашем случае это судно или совокупность однотипных судов. Упрощение состоит в том, что в принципе возможно дальнейшее углубление в проблему влияния судовых перевозок на смежные предприятия и отрасли и т.д.

В настоящей работе исследования ограничиваются указанным уровнем, что допустимо для целей оптимизации технических решений по судовому оборудованию в любом случае - как при наличии, так и отсутствии отлаженной системы увязки интересов участников единого хозяйственного ^производственного процесса.

НАЛИЧИЕ СИСТЕМНЫХ СВЯЗЕЙ между параметрами оборудования на различных уровнях. Каждый вид оборудования можно достаточно полно описать совокупностью параметров. Некоторые из них могут быть "системными" или "системно-важными", так как их изменение приводит к изменению характеристик объектов более высокого уровня (обратная связь - вниз по иерархической схеме вполне очевидна и здесь не рассматривается).

При проектировании судна весь комплект оборудования выбирается из типо-размерных рядов. Это принципиальное положение методики проектирования оптимальных судов. Иначе создание судна будет отложено на период проектирования и постройки совокупности нестандартного оборудования. В современных условиях, когда заказ на постройку судна можно получить только при условии его выполнения в короткий отрезок времени, рассчитывать на постройку оборудования под заказ не приходится. Кроме того, качество оборудования, создаваемого под заказ, оставляет желать лучшего ввиду неизбежной спешки. При формировании типоразмерных ря-

дов и проектировании комплектующего оборудования должны учитываться характеристики совокупности судов будущей постройки, на которых будет использоваться создаваемое оборудование. Больше того, характеристики судов должны учитываться не только при обосновании параметров типоразмерных рядов, но и при обосновании технических решений на всех стадиях жизненного цикла оборудования вплоть до списания, реновации и утилизации элементов оборудования, не подлежащих реновации.

В связи с тем, что между установлением параметров типорядов и проектированием типоразмеров оборудования с одной стороны и созданием судов - с другой, образуется разрыв во времени, нередко исчисляемый десятилетиями, возникает значительная неопределенность в характеристиках судов будущей постройки, компенсируемая применением научных методов прогнозирования этих характеристик.

Одним из известных и опробованных методов компенсации неопределенности данных о потребности в элементах сложной технической системы является применение при формировании их типоразмерных рядов предпочтительных чисел. Компенсация неопределенности возможна на различных уровнях - на нижних уровнях - при формировании типоразмерного ряда оборудования или на верхнем уровне - при формировании сеток типоразмеров судов перспективной постройки. По-видимому, второй подход предпочтительнее, поскольку открывает возможности разработки согласованных типоразмерных рядов всего комплекта судового оборудования и открывает возможность для создания оптимальных судов как согласованных комплексов всего комплектующего оборудования. Фактически это применение принципов опережающей и комплексной стандартизации.

При формировании сеток типоразмеров судов традиционно используются программно-целевые модели, основанные на применении методов оптимизации распределения ресурсов. К сожалению, эти модели не вполне адаптированы к динамичному изменению конъюнктуры мирового рынка. Поэтому результаты, полученные с их применением, также нуэедаются в корректировке с учетом неопределенности ряда прогнозируемых параметров.

Широко распространенное применение статистических методов анализа характеристик судов и судового оборудования также не лишено недостатков, поскольку они фиксируют тенденции, существовавшие в период реализации объектов, включенных в выборку статистических данных.

Профессором Царевым Б.А. была предложена сетка типоразмеров судов модульной постройки. Эта сетка приведена в табл.1. При ее формировании был выполнен статистический анализ мирового судостроения за предшествующее десятилетие. В табл.1 приведены двадцать типоразмеров морских транспортных судов отличающихся типом, грузоподъемностью и скоростью: сухогрузы (без детализации вида груза) - четыре представителя, отличающихся размерами и девять представителей с учетом различия скорости, а также четыре танкера, отличающихся грузоподъемностью, одиннадцать с учетом различия скорости. Была выполнена проработка главных размерений и основных характеристик судов.

В столбцах табл.1 приведены следующие характеристики типоразмеров судов: 1 - ^ - индекс типоразмеров судов. Всего предусмотрено двадцать типоразмеров; 2 - тип, - сеткой предусмотрены два типа судов: сухогрузы (С) без конкретизации способа грузообработки и танкеры (7); 3 - О - полное водоизмещение судна, т; 4 - О И/ - дедвейт, т; 5 - V, - эксплуатационная скорость, узлы; 6 - /.„л - длина судна между перпендикулярами, м; 7 - В - ширина на миделе, м; 8 - 7"- расчетная осадка, м; 9 -Нб- высота борта, м; 10 -Ков - коэффициент общей полноты; 11-/? - сопротивление движению судна с заданной скоростью, кН; 12 - Рэл - установленная мощность судовой электростанции, кВт; 13 - 2Э - число людей на судне, чел; 14 - /.„л -дальность плавания, мили.

Таблица 1.

Сетка типоразмеров судов модульной постройки_

а Тип о о\лг V, |_„„ в т Не Ков к Рэп г, 1_„л

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1 С 8000 5000 12 115 17 5,5 8 0,67 152 500 22 4000

2 С 8000 5000 13 115 17 5,5 8 0,67 179 500 22 4000

3 С 8000 5000 14 115 17 5,5 8 0,67 207 500 22 4000

4 с 12000 7500 13 125 19 6,5 9 0,69 235 600 26 5000

5 с 12000 7500 14 125 19 6,5 9 0,69 282 600 26 5000

6 с 16000 10500 14 140 21 7,5 11 0,71 347 700 30 6000

7 с 23000 15500 14 155 23 8,5 12,5 0,73 429 800 34 7000

8 с 23000 15500 15 155 23 8,5 12,5 0,73 507 800 34 7000

9 с 23000 15500 16 155 23 8,5 12,5 0,73 607 800 34 7000

10 т 11000 7500 12 115 19 7 10 0,7 199 600 26 4000

11 т 11000 7500 13 115 19 7 10 0,7 238 600 26 4000

12 т 19000 13000 13 140 23 8 11 0,72 341 800 32 6000

13 т 19000 13000 14 140 23 8 11 0,72 400 800 32 6000

14 т 33000 23500 13 170 28 9 12,5 0,74 466 1000 38 8000

15 т 33000 23500 14 170 28 9 12,5 0,74 572 1000 38 8000

16 т 33000 23500 15 170 28 9 12,5 0,74 664 1000 38 8000

17 т 52000 38500 13 200 33 10 14 0,76 647 1200 44 10000

18 т 52000 38500 14 200 33 10 14 0,76 796 1200 44 10000

19 т 52000 38500 15 200 33 10 14 0,76 920 1200 44 10000

20 т 52000 38500 16 200 33 10 14 0,76 1063 1200 44 10000

При проведении стандартизации изделий судового машиностроения и оптимизации характеристик перспективных типоразмеров целесообразно опираться на предложенную сетку судов, поскольку она является более ценной для решения этих задач по сравнению с сетками типоразмеров судов, полученными из программно-целевых моделей пополнения флота, т.к. учитывает не только отечественные тенденции, но и зарубежный опыт.

В процессе обоснования параметров объектов морской техники используются критерии эффективности трех типов - локальные, глобальные и согласованные. Первые рассчитываются на уровне объекта проектирования. В качестве локального критерия экономической эффективности судового машиностроительного оборудования может быть использована полная совокупность затрат связанная с эксплуатацией этого оборудования, находящая свое выражение в форме приведенных затрат по оптимизируемому оборудованию.

Приведенные затраты по проектируемому оборудованию складываются из затрат на возмещение израсходованной энергии и расходов, определяемых капитальными вложениями:

Зпр=Зэ + Р(К). (1)

Первое слагаемое - расходы на топливо Рт и смазку Рс„ в системе генерирования энергии в доле, определяемой проектируемым оборудованием:

3,= Рт+ Р<

(2)

Второе слагаемое в выражении (1) - сумма расходов на амортизацию Ра, текущий ремонт Рр, снабжение РСН1 косвенные расходы Р„ос и отчисления 0(К0) за пользование капиталом в сумме первоначальной стоимости оборудования К0:

Р(К) = Р. + Рр + Рс„ + Р, ос + 0(К0). (3)

Все расходы, определяемые первоначальной стоимостью, выражены в виде определенного процента ежегодных отчислений от первоначальной стоимости.

В случае изменения в процессе проектирования оборудования его системно-важных параметров, например, массы, габаритов или затрат топлива, локальный критерий эффективности не обеспечивает достоверной оптимизации объекта верхнего уровня - транспортного судна, т.е. в этом случае локальный критерий не обладает требуемой степенью объективности. Объективная оценка эффективности верхнего иерархического уровня сложной технической системы может быть получена с применением глобальных критериев эффективности, рассчитанных по судну в целом.

Для транспортных судов критерием оптимальности является критерий экономической эффективности: для судовладельца наилучшим является вариант судна, обеспечивающий получение наибольшей прибыли П на капитал Кс, вложенный в его приобретение, или их отношения - нормы прибыли или уровня рентабельности:

Нпр = (П1Кс)*Ю0%. (4)

Годовой объем прибыли П можно представить как разницу между доходами от эксплуатации судна Д и расходами на его функционирование Р:

Д-Р" П. (5)

Доходы от эксплуатации судна поступают в виде платы за перевозку грузов:

Д=Р.*К,п*ил*Рг*2р, (6)

где Р, - грузоподъемность судна, т; Кг„- коэффициент технического использования грузоподъемности - средневзвешенный коэффициент загрузки судна; /.лл - длина линии, на которой эксплуатируется судно, мили; Яг - фрахтовая ставка, доллары за тонно-милю, зависящая от вида перевозимого груза и бассейна эксплуатации судна. В случае перевозки разнородных грузов необходимо осреднение этой величины; 2Р - среднее число рейсов за год.

Расходы, связанные с эксплуатацией судна, разделяют на первоначальные, или единовременные, и текущие, или постоянные. Первые выступают в виде капитальных вложений - стоимости постройки или приобретения судна Кс. Годовые текущие расходы Рте|1 - сумма расходов на топливо Рш, смазочные и обтирочные материалы Рси, амортизацию Ра, текущий ремонт Рр, снабжение Рсн, содержание экипажа Р,к, навигационных Р„ и косвенных Ркос расходов:

Ртак = Рт + Рем + Ра + Рр + Рсн + Р3к + Рн + Ркоо (7)

Различия между капитальными и текущими расходами достаточно условны. Судовладелец, как правило, не имеет свободных денег и приобретает суда на капитал, взятый под проценты в банке. За пользование капиталом производятся ежегодные платежи:

О = Кс * Не, (8)

где Н0 - норматив годовых отчислений за пользование капиталом, равный в общем случае учетной банковской ставке.

Даже если судно приобретается за деньги судовладельца, он вправе, кроме прибыли от эксплуатации судна, рассчитывать на получение отчислений О, иначе ему выгодней положить деньги в банк под проценты. Эта идея реализуется путем расчета так называемых приведенных затрат, которые фактически и являются расходами по эксплуатации судна:

3Пр = Р = Ртек + Ен* Кс, (9)

где Ен- прогноз учетной банковской ставки.

Таким образом, в качестве глобального, рассчитываемого по объекту верхнего иерархического уровня, критерия эффективности для обоснования технических решений по подсистемам судна и в том числе по СЭУ, может быть принята норма прибыли по судну:

Нпр = {( Р,-Ка„ * * Рг'гр-3„р) / Кс) • 100 % (10)

В тех случаях, когда при проектировании судна грузоподъемность задается и выдерживается, (что позволяет рассчитывать на стабильность дохода от эксплуатации судна), возможна оптимизация судна, исходя из минимума приведенных затрат. Изменения провозоспособности, возможные в процессе проектирования, учитываются использованием в качестве глобального критерия эффективности удельных приведенных затрат, отнесенных к годовому объему транспортной работы:

Зпрув= Зпр / ( Р. * V' Т, * 24 * ах * К * к, ) , (11)

где V - номинальная скорость судна, узлы; Т, - годовой период эксплуатации судна, сут/год; ах - относительная доля ходового времени; /с„ - коэффициент технического использования скорости; к, - коэффициент готовности, учитывающий вынужденные перерывы в эксплуатации, связанные с отказами оборудования.

Применение приведенных затрат в качестве критерия экономической эффективности является наследием плановой системы хозяйствования, когда годовой объем перевозок планировался и предполагалось его выполнение. В условиях рыночной системы хозяйствования этот критерий несколько устарел, хотя в некоторых случаях его применение оправдано. Он правильно оценивает ситуацию, если под годовым объемом перевозок понимать не жесткую плановую цифру, а её стохастическую оценку. В нынешних экономических отношениях более обоснованным критерием является норма прибыли, позволяющая идти на большие затраты при условии получения большей прибыли.

При помощи глобальных критериев могут обосновываться лишь крупные технические решения, изменения которых приводят к изменениям критерия, превышающим погрешность его определения. На разных стадиях проектирования судна эта погрешность различна, особенно она велика на ранних стадиях, в том числе при обосновании типоразмерных рядов и проектировании типоразмеров судового оборудования. Учитывая, что на этих этапах стоимость судна определяется с погрешностью до ±30%, и в этот доверительный интервал укладывается любое техническое решение по судовому машиностроительному оборудованию, можно сделать вывод о неприменимости использования глобальных критериев, рассчитываемых по объекту верхнего уровня, для оптимизации технических решений по судовому оборудованию.

Для обоснования решений по судовому машиностроительному оборудованию предложено применение согласованных критериев эффективности, являющихся приложением метода анализа сложных технических систем (системного анализа) к данной проблеме. В данном случае к собственно локальным критериям, рассчитываемым исключительно по параметрам объекта проектирования, вводится согласующая поправка, позволяющая определить полный вклад данного объекта в значение глобального критерия с учетом влияния данного объекта через изменение его

системно-важных параметров как прямо на сложную систему в целом, так и опосредствованно через его влияния на прочие элементы сложной системы.

Выражение для такого приращения может быть получено путем замены частных производных глобального критерия эффективности по системно-важным параметрам на значение полного дифференциала, вычисляемого в базовой точке. Устранение из рассмотрения большей части подсистем судна, не изменяющихся от применения рассматриваемого технического решения и в то же время создающих основную часть погрешности, позволяет существенно увеличить достоверность выбора решений оптимизирующих судно.

Одним из выражений согласованного критерия является приращение годового объема прибыли по проектируемому судну по сравнению с базовым вариантом (ниже индексом "б" отмечены показатели базового варианта):

Кгсшл1=П-П6=(Д-Р) - (Д-Р)6=(Д-Дб) - (£ Рг]Г РуаЫХ Рк-]Г Р*6) (12)

При оптимизации данный критерий максимизируется. Положительное значение согласованного критерия говорит о превосходстве проектируемого варианта над базовым (прибыль больше). Другое выражение для согласованного критерия (норма прибыли на дополнительно вложенный капитал) - отношение приращения прибыли от принятого технического решения к дополнительным капитальным вложениям:

Кгсоглг = (П-Пе)/(К-Ке) (13)

Базовый вариант должен отличаться от вновь проектируемого только рассматриваемыми техническими решениями. В выражении для Кг со,п1 расходы по судну Р представлены как сумма расходов (приведенных затрат) по составляющим его элементам, подсистемам, устройствам, оборудованию и др. Эти элементы разделены на объекты проектирования (р1 :п) - целенаправленно изменяемые для достижения оптимума и прочие элементы (к=п+1 : т), не изменяемые целенаправленно. Чаще всего при проектировании л=1,так как происходит последовательная оптимизация отдельных решений. Например, выбор из типоразмерного ряда насоса для определенной системы СЭУ или выбор из сортамента трубы для определенного трубопровода. Подобные решения, которых много и которые можно назвать простыми, могут приниматься в известной степени независимо. Другие, как например, система утилизации теплоты, являются сложными, включают в себя несколько элементов и требуют ступенчатой оптимизации - отдельно наличие или отсутствие самой системы и далее отдельно выбор каждого вида комплектующего оборудования. В случае л=1 слагаемое (]Г Ру- Р;6) - так называемый локальный критерий эффективности - приращение приведенных затрат по объекту проектирования:

Кг„ок = Р1-Р,в= Ен * (КгК1б) + (С(-С,6), (14)

где К1-К-1В- приращение стоимости объекта проектирования по сравнению с базовым вариантом; С«-- приращение текущих расходов по сравнению с базовым вариантом. Разность (]Г Рк - Рке)- приращение приведенных затрат по совокупности элементов судна, целенаправленно не изменяемых при оптимизации проектируемой подсистемы или элемента СЭУ, по сравнению с базовым вариантом. Большая часть из них не изменяется вовсе, т.е. приращение равно нулю, но некоторые могут изменяться в связи с изменением системно-важных параметров объектов проектирования.

Системно-важными являются все параметры, способные оказать влияние на провозоспособность судна и эквивалентное последней изменение дохода от экс-

плуатации (Д -Де) - разность в первых скобках приведенного выражения, в том числе:

- масса, так как её изменение приводит к изменению грузоподъемности судна;

- энергетическая эффективность, в связи с тем, что затраты энергии на судне покрываются за счет запасов топлива, также влияющих на грузоподъемность;

- надежность, прямо входящая в выражение для годового объема транспортной работы.

Значение согласованного критерия складывается из приращения локального критерия и поправки на изменение системно-важных параметров объекта проектирования:

Кгсоал=Кг„„ + £ ( дКгел/8Р,* ДР,), (15)

где 8 Кг,л/дР! - частные производные глобального критерия эффективности по системно-важным параметрам объекта проектирования. Они могут приниматься по данным базового варианта; АР, - конечные приращения системно-важных параметров.

При оптимизации подсистем судна анализ поведения решения вблизи границ области допустимых решений не всегда возможен, особенно, если процесс оптимизации основных элементов судна еще не завершен.

Поскольку на значения критерия оказывают влияние только лимитирующие ограничения и при проведении оптимизации изменяются положение ограничений, необходимо отслеживать выход ограничений из числа лимитирующих. При возникновении такой ситуации следует проводить корректировку выражения критерия эффективности.

Модели для определения составляющих и расчета критериев эффективности рассмотрены в ряде известных работ приведено описание пакета прикладных программ для определения первоначальной стоимости судов, судовых энергетических установок, главных судовых двигателей, судового энергетического оборудования, текущих расходов по эксплуатации судового комплекса и его отдельных составляющих, доходов от эксплуатации судна.

Для упрощения использования моделей экономического анализа они структурированы по степени законченности функции, выполняемой в рамках процесса оптимизации технических решений. Модели, реализующие определенную элементарную законченную функцию в рамках экономического анализа - расчет стоимости объекта, текущих расходов или доходов от эксплуатации судна, названы в работе "базовыми модулями", что подчеркивает возможность их использования в качестве элементарных кирпичиков в более сложных алгоритмах экономического анализа.

На различных стадиях проектирования судна информация об объекте имеет разную степень подробности, что приводит к необходимости использования различных расчетных моделей для определения первоначальной стоимости. Модуль, реализующий методику расчета стоимости по обобщенным зависимостям, эффективен на ранних стадиях проектирования, когда состав и характеристики судового оборудования ещё не вполне определены.

На более поздних стадиях проектирования (техническое проектирование и далее) целесообразно применение поэлементной модели, реализованной также в виде отдельного базового модуля. Модуль предназначен для расчета первоначальной стоимости конкретного оборудования, комплекса как суммы стоимостей изготовления составляющих элементов К, и производственных затрат О на монтаж и испытания.

Специальный базовый модуль предназначен для определения текущих расходов за рейс транспортного судна на основе отраслевой методики определения себестоимости эксплуатации (расходов, согласно которой Р - текущие затраты за рейс складываются из суммы расходов на топливо Рт, на смазку Р„, амортизацию

Рд,, текущий ремонт Рр, снабжение Рем на экипаж Р„ навигационные и косвенные расходы Рна. и Р,„с).

Приведенные модели экономического анализа могут быть использованы при проектировании судового машиностроительного оборудования. Например, применительно к грузовым лебедкам последовательность проведения экономического анализа с использованием метода согласованной оптимизации может быть следующей.

Определяется стоимость изготовления лебедки и приведенные затраты, которые на разных стадиях проектирования могут быть определена разными методами. Выбирается базовый вариант судна, на котором предполагается использование новых лебедок и определяются все необходимые его характеристики (эксплуатационные расходы, доход, и др.)

Определяются системно- важные параметры лебедки.

При сравнительной оценке судовых грузовых электрических лебедок, являющихся основным элементом грузовых стреловых устройств, в программе принимались во внимание следующие основные системно-важные параметры:

- номинальное тяговое усилие;

- скорость подъема груза;

- скорость спуска груза;

- скорость подъема гака;

- род и напряжение тока;

- мощность электропривода;

- масса.

Каждый из перечисленных параметров влияет на общие эксплуатационные расходы судна и его доход, хотя это влияние проявляется по различным каналам и имеет разную величину. Например, мощность электродвигателя влияет на требуемую электрическую мощность электрогенераторов, а следовательно, запас топлива и его стоимость. Кроме того, изменение запаса топлива приведет к изменению массы полезного груза. Все это приведет к изменению как расходов, так и доходов.

Скорость подъема и спуска груза влияет на время погрузочно- разгрузочных работ в порту и изменяет время нахождения судна в море.

Изменение массы грузовых лебедок влияет на массу перевозимого груза, хотя, по-видимому, и не значительно.

Следующим шагом расчетов по программе будет определение изменения эксплуатационных расходов судна на всех этапах его работы как в порту, так и в море, определение массы перевозимого груза и изменение дохода по сравнению с базовым судном.

После выполнения всех необходимых расчетов определяется согласованный критерий, величина и знак которого позволяет решить вопрос об экономической эффективности предлагаемого варианта грузовой лебедки по сравнению с существующей.

В случае независимости сложной технической системы от результатов оптимизации параметров изделия, что возможно при отсутствии изменений системно-важных параметров, могут быть применены методы комплексной оценки качества изделия.Комплексная оценка уровня качества осуществляется с применением следующей зависимости:

О." Е Ов'Кд,

где: К] - коэффициенты весомости отдельных комплексных свойств в комплексной оценке уровня качества; Кц- коэффициенты весомости отдельных простых свойств в комплексной оценке отдельных комплексных свойств. Все коэффициенты весомости определяются экспертным методом и нормированы:

Е Кг 1: Е

Суммирование производится по комплексным свойствам / и по простым свойствам /в пределах комплексных свойств.

Совокупность численных значений коэффициентов весомости показателей позволяет определить комплексный показатель эффективности и качества проектируемого изделия по сравнению с базовым образцом.

В пятой главе приведены результаты разработки моделей для согласованной системной оптимизации судового оборудования

Анализ номенклатуры показателей качества и методов комплексной оценки качества судового машиностроительного оборудования позволяет установить, что отсутствие данных, особенно для зарубежных типоразмеров, и сведений об их значимости в составе показателей качества не позволяют выполнить анализ в полном объеме с применением комплексных показателей. Применяется сравнение по отдельным показателям, обычно в усеченном виде. Иногда формируются упрощенные критерии качества типа удельной производительности на единицу массы или габаритов.

Рассмотренные методы оценки качества позволяют выявить направления совершенствования оборудования, отобрать образцы объективно лучшие по отдельным показателям, оценить ряд важных показателей в комплексе. В то же время эти оценки не позволяют выявить влияние выбираемого оборудования на эффективность объектов верхнего иерархического уровня сложной технической системы, на котором эффективность оборудования реализуется в виде дополнительного дохода, экономии затрат или получения прибыли.

Согласованный критерий эффективности представляет собой приращение глобального критерия в случае применения анализируемого технического решения по сравнению с вариантом, содержащим альтернативное техническое решение. Под техническим решением понимается любое техническое изменение, вносимое в сложную техническую систему: применение какого-либо типоразмера судового оборудования вместо другого типоразмера такого же типа; применение одного типоразмера при различных значениях контролируемых параметров; внесение изменений в конструкцию, состав и параметры оборудования, выполняющего заданную функцию, по сравнению с базовым вариантом этого оборудования при условии, что все остальные элементы судна остаются прежними.

Учитывая, что глобальный критерий может быть представлен в различной форме, аналогично и согласованный критерий также может иметь несколько выражений. Для случая применения в качестве глобального критерия годовой прибыли П согласованный критерий может быть представлен разницей прибыли для измененного и базового вариантов судна:

Кгсозл1 = П-Пе=(Д-Р)-{Д-Р)6 = (Д-Д6)-(Р-Р6) (18)

где Д - годовые доходы от эксплуатации судна;

Р - годовые расходы при его эксплуатации.

Индексом "б" отмечены показатели базового варианта. Характеристики измененного варианта представлены без индекса. При оптимизации данный критерий максимизируется. Положительное значение согласованного критерия говорит о превосходстве проектируемого варианта над базовым (прибыль больше. Учитывая, что оптимизируемое судовое оборудование непосредственно доходов от эксплуатации не приносит, первое слагаемое определяется только характеристиками судна и влиянием на них изменений характеристик оптимизируемого оборудования. Второе слагаемое определяется не только разницей расходов оптимизируемого и базового вариантов оборудования (все остальное комплектующее оборудование не изменяется), но и влиянием изменений характеристик оптимизируемого оборудования на отдельные составляющие расходов по судну, вызванные изменением оптимизируе-

мого оборудования. О возможности существования такого влияния свидетельствует, например, увеличение платы за пользование причалом.

Другое выражение для согласованного критерия - норма прибыли на дополнительно вложенный капитал - отношение приращения прибыли от принятого технического решения к дополнительным капитальным вложениям:

Кг ссалг - ( П - Пд) I ( К - Ке). (19)

Для согласованного критерия на основе применения метода малого параметра может быть получено аналитическое выражение, обеспечивающее достоверную оптимизацию сложной системы и одновременно уменьшающее погрешность практически до уровня, соизмеримого с погрешностью локального критерия. Для случая постоянного дохода это выражение согласованного критерия в дифференциальной форме имеет вид (данный критерий минимизируется):

Кг содл = Кг „ок + 2 дКг »л/ЗР, * А Р,, (20)

где ¿Кг ,„ЛяР,- - частная производная глобального критерия эффективности по I -системно-важному параметру объекта проектирования. Они могут приниматься по данным базового варианта; & Рг конечные приращения системно-важных параметров;

Кг„ок-локальный критерий эффективности:

Кг „0„ = РГР,6= Е„ * (КУКкг) + (С,-С,а) , (21)

где КГК16 - приращение по сравнению с базовым вариантом стоимости объекта проектирования;

С1-С1 е - приращение по сравнению с базовым вариантом текущих расходов по объекту оптимизации;

Ен - коэффициент приведения первоначальных капитальных затрат к текущим расходам равный банковской ставке за пользование заимствованным капиталом.

Системно-важными являются все параметры, способные оказать влияние на провозоспособность судна и эквивалентное последней изменение дохода от эксплуатации (Д-Дб)- разность в первых скобках выражения (16), в том числе:

- масса или габариты, так как их изменение приводит к изменению провозоспособности вследствие изменения грузоподъемности или грузовместимости судна;

- надежность, прямо входящая в выражение для годового объема транспортной работы.

Изучение влияния изменения технических параметров объекта проектирования на их системно-важные параметры должно быть предметом рассмотрения и анализа при проектировании новых образцов техники, так как эти параметры и их влияние специфичны для кахедого вида оборудования. По мере накопления опыта проведения системотехнических исследований и оптимизации судового оборудования будет сформирована база данных по этому аспекту оптимизации, но всегда при переходе к оптимизации новых образцов техники необходимо проведение анализа этих факторов. Дальнейший переход - от системно-важных параметров к согласованному критерию эффективности достаточно формализован при проведении выполненных ранее исследований.

Для судовых устройств, судовых систем и энергетического оборудования, для которых возможна изолированная оптимизация, системно - важными параметрами являются приращение полной массы оборудования, приращение координат центра тяжести судна, вызванное принятыми техническими решениями по оборудованию,

изменение запасов рабочих тел, изменение эксплуатационной надежности, изменение длины отсека, в котором расположены оборудование, изменение длины судна.

При оптимизации судового машиностроительного оборудования должно анализироваться условие удифферентовки судна с полной нагрузкой при посадке на ровный киль. Обеспечение этого ограничения возможно путем перераспределения части запасов топлива между кормовыми и носовыми запасными цистернами. Обычно такое решение возможно и указанное ограничение не является лимитирующим. Безусловно, возможность такого решения должна быть проанализирована.

Условие равенства масс при полной нагрузке судна полному водоизмещению может быть обеспечено путем корректировки значения грузоподъемности судна. Эти корректировка не является лимитирующей и учитывается поправкой к значению локального критерия на изменение грузоподъемности в условиях безусловной оптимизации. Сохраняются же размеры судна и полное водоизмещение.

Требование к вместимости грузовых помещений выполняется автоматически и не является лимитирующим, поскольку размеры грузовых отсеков не изменяются по сравнению с базовым вариантом судна.

Требование к наименьшему и наибольшему значениям начальной метацентриче-ской высоты выполняется и, как правило, не является лимитирующим в связи с наличием допуска на остойчивость, небольшим изменением центра масс и кренящего момента от оптимизируемого оборудования.

Это требование становится актуальным при существенных изменениях, например, при оптимизации вариантов грузовых систем - применение кранов и тяжеловесных стрел вместо легковесов, смещение кранов на борт и других специальных случаев. Для этих случаев необходимы дополнительные исследования возможности компенсации изменения остойчивости перемещением грузов или других механизмов, либо, в крайнем случае, приемом дополнительного балласта за счет изменения грузоподъемности.

В результате анализа может быть установлена наиболее реальная возможность безусловной оптимизации судового комплектующего оборудования с применением согласованного критерия эффективности. Последний можно представить в дифференциальной форме (20) в виде абсолютного приращения прибыли. В случае планируемого изменения грузоподъемности, следует применить согласованный критерий в относительной форме в виде разности отношений прибыли к годовому объему транспортной работы в измененном и базовом вариантах. Однако на большинстве транспортных судов этого не требуется, так как провозоспособность определяется грузовместимостью, а не грузоподъемностью, а грузовместимость сохраняется неизменной, как видно из выполненного анализа.

В случае влияния лимитирующих ограничений требуется введение поправок к согласованному критерию в связи с невозможностью нарушить лимитирующее ограничение. Кстати, рассмотренный выше случай невозможности изменить грузоподъемность на большинстве транспортных судов и является примером влияния лимитирующего ограничения по грузовместимости на судах с большой погрузочной кубатурой.

Второе слагаемое в выражении для согласованного критерия в дифференциальной форме, приведенное выше, является системной поправкой Пс на изменение системно-важных параметров объекта оптимизации:

Пс = £ дКг ,„1дР1 * ЛР,, (22)

где дКг ,„!8РI - частные производные глобального критерия эффективности по системно-важным параметрам объекта проектирования, принимаемые по данным базового варианта:

АР, - конечные приращения системно-важных параметров.

Системно-важными параметрами судового машиностроительного оборудования являются:

- его полная масса;

- рабочая масса;

- масса запасов рабочих тел, обеспечивающая функционирование оборудования в соответствии с назначением в течение рейса;

- эксплуатационная надежность.

Значение согласованного критерия эффективности определяется в форме абсолютного приращения прибыли по транспортному судну. Для достижения оптимума этот показатель максимизируется. Рассмотренный выше локальный критерий формируется в виде приращения приведенных затрат по оптимизируемому оборудованию. Расходы должны минимизироваться или, по крайней мере, их увеличение не должно превосходить увеличения дополнительного дохода от грузоперевозок, оцениваемого системной поправкой на изменение системно-важных параметров объекта оптимизируемого оборудования.

Полная масса судового оборудования входит слагаемым в уравнение масс для случая полной нагрузки судна. Если погрузочная кубатура перевозимого груза обеспечивает полное использование водоизмещения, уменьшение полной массы судового оборудования обеспечивает прием дополнительного количества груза и получение дополнительного дохода. При увеличении массы судового оборудования придется уменьшить количество полезно перевозимого груза и недополучить доход. Количественно это влияние может быть оценено следующей зависимостью:

00 = Яг*2р*1пл*(еп5-С„)*Кгр, (23)

где ОО - дополнительный доход от перевозки груза, у.е./год; Рг- фрахтовая ставка за перевозку груза, у.е./тонно-мили; 2Р - количество рейсов в год. Зависимость для определения этого параметра приведена выше в параграфе 6.5; /-лл- величина линии на которой эксплуатируется судно, мили; в„ - полная масса оптимизируемого оборудования в измененном варианте, т; СП(г то же в базовом варианте; Кгр- коэффициент технического использования грузоподъемности.

Отметим, что приведенное выражение справедливо лишь для случая перевозки относительно тяжелого груза с погрузочной кубатурой менее 1 м3/т. Только в этом случае при возникновении экономии массы имеется достаточное помещение для приема дополнительного груза. Например, при перевозке руды. В каждом конкретном случае следует оценить характер перевозимого груза и принять решение о необходимости учета возможности получения дохода при экономии массы оборудования.

Рабочая масса оборудования становится системно-важным параметром и при наличии ограничений по остойчивости. Палубные механизмы и грузовые устройства - достаточно многочисленный тип судового оборудования, размещаемого относительно высоко - на верхней палубе - и способного оказать влияние на остойчивость.

При наличии ограничений по остойчивости и отсутствии запасов возможным техническим решением при приеме на верхнюю палубу дополнительного груза может стать необходимость приема дополнительного груза в виде твердого балласта в нижние отсеки. Это может уменьшить провозоспособность за счет обеих дополнительных масс.

Методика учета влияния указанного фактора в работе рассмотрена, однако следует проанализировать целесообразность его учета. При неполном использовании грузоподъемности этого делать не нужно. Более того, размещение твердого балласта не требует дополнительных объемов.

Масса запасов рабочих тел, отнесенная к оборудованию, может нарушить условие удифферентовки судна с полной нагрузкой при посадке на ровный киль. Следует проанализировать возможность решения этой проблемы за счет размещения в носовой части емкостей топлива в необходимом количестве. По-видимому, эта задача всегда имеет положительное решение, не оказывающее влияние на про-

возоспособность, а значит, не оказывающее влияние и на эффективность оптимизи руемого оборудования.

Эксплуатационная надежность прямо входит в выражение для годового объема транспортной работы судна <Э„ тонно-мили/год:

где Р, - грузоподъемность судна, т; Т, - годовой период эксплуатации, сут/год; V,- эксплуатационная скорость судна, узлы; К„- коэффициент технического использования скорости; К, - коэффициент готовности - один из основных показателей надежности - вероятность, что судно находится в исправном состоянии и работает по прямому назначению. Указанный коэффициент готовности относится ко всему оборудованию на судне, а не только к оптимизируемому. Для учета изменения надежности оптимизируемого оборудования по сравнению с базовым следует определить коэффициент готовности. Дополнительный доход от повышения надежности судового оборудования может быть оценен следующей зависимостью:

где Кг о - коэффициент готовности нового варианта оптимизируемого оборудования; К,ое- то же для базового варианта оборудования; Кти - коэффициент технического использования оборудования - доля календарного времени, когда оптимизируемое оборудование используется по назначению.

При существенном изменении провозоспособности и годовой транспортной работы вместо абсолютного выражения критерия эффективности более точным является выражение в виде приращения прибыли или приведенных затрат, отнесенное к годовому объему транспортной работы.

В то же время следует заметить, что надежность судового палубного оборудования является ограничительной характеристикой, так как значения отдельных составляющих надежности прямо зафиксированы в стандартах на данный вид оборудования. Эти проблемы рассмотрены при моделировании конкретных видов оборудования в последующих параграфах настоящей диссертации.

Рассмотренная методика расчета согласованного критерия эффективности судового машиностроительного оборудования реализована в виде программной модели. Эта модель разрабатывалась как универсальная и предназначена для анализа эффективности и проведения оптимизационных исследований судового оборудования.

В качестве локального критерия предложено использовать разность полных годовых расходов по проектируемому оборудованию и варианту оборудования, принятому за базу.

Данный критерий минимизируется, т.е. предпочтителен вариант, у которого годовые затраты минимальны. Снижение расходов - важная цель, к которой следует стремиться при проектировании оборудования, однако заказчика оборудования в большей степени привлекает другая форма представления того же согласованного критерия, а именно - оценка возможности увеличения прибыли при возможном увеличении капитальных вложений. Заказчик способен идти на дополнительные капитальные вложения при условии получения большей прибыли.

Последнее может быть оценено показателем нормы прибыли - отношением дополнительно полученной прибыли к дополнительным капитальным вложениям. Поэтому в качестве выражения для локальной составляющей согласованного критерия примем обратную величину к рассмотренной выше, а именно дополнительную прибыль, получаемую в результате экономии полных годовых расходов:

О. = Р. * Т, * 24 * V, * Ку * К„

(24)

(25)

Пр т, = Р,в - Р, =ЕН* (КнгЪ) + (С1е-С,).

Данный критерий максимизируется. Ясно, что следует стремиться к максимизации не отдельно локального критерия, а полного выражения согласованного критерия - суммы локального критерия и системной поправки. Выбор базового варианта для расчета локального критерия определяется конкретными задачами. Разумно за базу принять реализованный вариант, данные по которому наиболее доступны.

В работе приведены аналитические зависимости для расчета первоначальной стоимости оборудования и составляющих текущих расходов. Эти зависимости включены в модель согласованного критерия эффективности. Нормативы отчислений на реновацию, капитальный и текущий ремонты и прочие отчисления, связанные с первоначальной стоимостью, в первом приближении принимаются по данным судна в целом и в дальнейшем уточняются с учетом фактического ресурса оборудования.

Поправка Пс на изменение системно - важных параметров проектируемого оборудования определяется влиянием характеристик оборудования на комплексную эффективность судна, его провозоспособность, доход от перевозки груза, среднегодовое количество рейсов, длительность отдельных режимов эксплуатации.

В случае отсутствия этого влияния или невозможности его реализации эффективность оборудования сводится только к экономической эффективности, определяемой локальным критерием. Если же реализация влияния на системно важные параметры возможна, то системная поправка может превалировать над локальной эффективностью. Методика определения составляющих системной поправки описана в работе. Она позволяет оценить дополнительный доход, получаемый на заданном судне от применения нового варианта оборудования по сравнению с базовым. Таким образом, окончательно согласованный критерий может быть представлен в двух следующих видах:

Кг ico*,= Еи' (K16-Ki) + (С1в-С,)+ DD; (27)

DD = DD1 + DD2 + DD3;

DD1 = Fr * ZpS * 1„л * (G„ - G„s) * к,е;

DD2 = Fr * (Zp - Zps) * Ln„ * G„6 * kr6;

DD3 = Fr * Zp6 * L„„ * G„6* (kr - kr6);

КГ 2 соал ~ КГIcoaiJ (K1-K16) (28)

где DD1 -приращение дохода от увеличения провозоспособности судна; DD2 -приращение дохода от увеличения рейсооборота; DD3 - приращение дохода от увеличения надежности.

Оба критерия максимизируется, т.е. предпочтительны варианты, обеспечивающие получение большей прибыли, возможно, за счет больших капитальных вложений. Положительное значение первого выражения для согласованного критерия свидетельствует о получении дополнительной прибыли за счет экономии расходов или дополнительных доходов от эксплуатации судна и является желательным для дальнейшего анализа эффективности варианта. Затем при необходимости анализируется значение нормы прибыли Кг2со,п-

В шестой главе приведены результаты математического моделирования и описание алгоритмов и программ процессов проектирования следующих типов судового машиностроительного оборудования: грузовых электрических лебедок; судовых электрогидравлических подъемных кранов; электрогидравлических рулевых машин;

В качестве критерия эффективности применяются экономические характеристики объекта верхнего иерархического уровня и в качестве метода повышения их информативности - применение критериев согласованной системной оптимизации.

Выполненный анализ содержания процесса проектирования судового механического оборудования позволил установить значительное число факторов, подлежащих выбору из альтернативных вариантов в процессе разработки типоразмера оборудования. Эти факторы в процессе оптимизационного исследования подлежат варьированию с целью отыскания совокупности оптимальных параметров, обеспечивающей достижение глобального экстремума функции цели - критерия предпочтительности разрабатываемого варианта оборудования.

Использование возможностей компьютерной техники и постановка задачи проектирования судового машиностроительного оборудования как экстремальной позволили заменить однократное решение «обратной» задачи (т.е. создание системы по заданным характеристикам) многократным решением «прямой» задачи (определение характеристик как бы уже созданной системы). В такой постановке существует тесная связь между двумя компонентами математического обеспечения для решения задачи - математической моделью системы и алгоритмом оптимизации.

Математическая модель позволяет определить параметры системы, а алгоритм оптимизации обеспечивает построение ряда значений критерия оптимизации, позволяющего найти его экстремальное значение.

Выбор алгоритма оптимизации определяется математическими характеристиками системы, а структура математической модели, в свою очередь, может зависеть от особенностей алгоритма оптимизации.

В данной работе выполнен анализ особенностей проектирования судового оборудования, оказывающих влияние на предпочтительность того или иного метода отыскания оптимального решения задачи проектирования из совокупности известных методов, в том числе:

- метода перебора вариантов;

- методов линейного программирования;

- методов нелинейного программирования;

- методов дискретного программирования;

- методов стохастического программирования.

Перебор вариантов для отыскания оптимального решения возможен только при ограниченном числе контролируемых параметров. Обычно это один или несколько параметров. При решении проектных задач с многими контролируемыми параметрами, имеющих целью не изучение зависимостей, а получение оптимального решения, этот метод применять не целесообразно ввиду большой трудоемкости

Возможность применения методов направленного поиска оптимума, к которым относится линейное, нелинейное и дискретное программирование, связана с определенными ограничениями, налагаемыми на вид функции критерия эффективности, модель объекта проектирования и модель системы ограничений.

Для применения моделей линейного программирования, входящих в состав отраслевого стандартного программного обеспечения ЭВМ, необходимо, чтобы все перечисленные модели были линейными функциями контролируемых параметров. В нашем случае это условие выполняется не всегда.

Возможность применения методов нелинейного программирования ограничивается наличием одного экстремума функции цели в диапазонах ее определения, ограниченных кроме прочего диапазонами варьирования контролируемых параметров. Обеспечивая движение по градиенту к экстремуму функции цели, методы нелинейного программирования гарантируют достижение только локального или местного экстремума. При наличии нескольких экстремумов в области допустимых решений (ОДР) обеспечивается отыскание того, вблизи которого по градиенту функции цели было начато первое приближение.

Модели дискретного программирования близки в общем случае к комбинации методов нелинейного программирования и перебора вариантов. Решаемая вначале задача нелинейного программирования с непрерывными аргумен-

тами в дальнейшем уточняется перебором вариантов со значениями контролируемых параметров в узлах сетки, ближайших к глобальному экстремуму непрерывной задачи. Найденный экстремум принимается за экстремум дискретной задачи. Здесь также действуют ограничения, накладываемые на модели нелинейного программирования - моноэкстремальность и отсутствие разрывов функции цели в зависимости от контролируемых параметров.

Перечисленные выше ограничения не выполняются в полной мере при решении задач проектирования судового оборудования. Проблема не столько в нелинейности функции цели, модели объекта и системы ограничений, степень нелинейности невелика, сколько в дискретности модели объекта проектирования. Комплектующие оборудования, комплексов и систем морской техники изготавливаются заранее в виде типоразмерных рядов, сортаментов, стандартных и унифицированных изделий. При проектировании оборудования и систем выбор комплектующих возможен только из этого ограниченного перечня. Никакие промежуточные типоразмеры невозможны, даже, если это сулит некую прибавку критерия эффективности. Если учесть все потери, связанные с созданием промежуточного типоразмера, то это неминуемо приведет к снижению эффективности. Кроме того, создание такого типоразмера потребует неприемлемых временных затрат.

Не отвергая в принципе необходимость и возможность разработки новых комплектующих, следует заметить, что делать это нужно в рамках решения другой задачи - стандартизации комплектующих. При этом должны быть проанализированы перспективы их использования в составе различных комплексов, оценены как затраты на их создание, так и спрос на комплексы и комплектующие. В процессе проектирования комплексов проектировать комплектующие, требующие организации определенных специализированных производств, уже поздно. Таким образом, создание изделий судового машиностроения с достаточно сложной структурой должно опираться на типоразмерные ряды и сортаменты комплектующих - электродвигателей, редукторов, насосов, гидравлических машин, гидроцилиндров, тросов, кабелей, трубопроводных элементов, деталей машин, элементов управления и др.

Применение типоразмерных рядов комплектующих накладывает значительное влияние на оптимизационные модели объектов судового машиностроения и вид функции критериев эффективности. Это, в свою очередь, предъявляет особые требования к методам отыскания оптимальных решений для таких моделей. В одномерном типоразмерном ряду типоразмеры ранжированы в порядке возрастания параметра выбора. При двух параметрах выбора типо-размерный ряд - двухмерная матрица и ранжирование происходит по каждому из параметров выбора независимо. При большем числе параметров выбора типоразмерный ряд становится многомерной матрицей - тензором с ранжированием типоразмеров по каждому из параметров выбора в отдельности.

Позиции, занимаемые типоразмерами в типоразмерном ряду, пронумерованы числами натурального ряда по каждому из параметров выбора от 1 до П|. Индекс переменной I принадлежит отрезку натурального ряда от 1 до гп, где т - общее число параметров выбора комплектующих данного типа. Таким образом, выбор определенного типоразмера из типоразмерного ряда соответствует выбору позиции типоразмера, отмеченной целочисленной переменной ^ по каждому из параметров выбора. Именно в этом смысле задача проектирования судового оборудования является оптимизационной задачей с большим количеством целочисленных переменных - по каждой комплектующей в отдельности, да ещё по каждому из параметров выбора комплектующих каждого типа.

Как известно, основным принципом выбора комплектующих из типоразмерного ряда или сортамента является принцип « большее заменяет меньшее», т.е. принимается элемент, параметр выбора которого не меньше требуемой величины. Равенство параметра выбираемого комплектующего имеющейся потребности - событие маловероятное. Обычным случаем является выбор типоразмера с параметрами выбора, превышающими потребности в дан-

ных параметрах. Обычно принимают типоразмер ближайший больший по параметром выбора.

Степень превышения параметров выбора принятого типоразмера над потребностью в данных параметрах оказывает значительное влияние на характеристики типоразмера, а также на выбор метода отыскания оптимальных параметров создаваемого судового оборудования. К примеру, наиболее широко применяемые при создании судового оборудования приводные электродвигатели асинхронного типа наиболее энергетически эффективны при спецификаци-онных параметрах. На номинальном режиме загрузки, когда потребляемая мощность привода равна или близка к спецификационной мощности электродвигателя, его КПД г|„ может достигать 85 - 90% в зависимости от величины мощности. При отклонении от этого режима в сторону уменьшения нагрузки КПД уменьшается в соответствии со следующей зависимостью:

Г1»= 0.85 + (0.9 - 0.85) (N1. - Мвт|п)/( - М,т|п); (29)

г|ф = ч„ (2 к, - к,2),

где т]н, т]ф - значения КПД привода соответственно на режимах номинальной загрузки и сниженной мощности; Л/„ , Л/вт"\ Л/вта* - номинальные мощности соответственно принятого типоразмера, наименьшего типоразмера в ряду и наибольшего типоразмера, кВт; к, - коэффициент загрузки электродвигателя - отношение мощности фактически затрачиваемой на привод судового оборудования к номинальной мощности электродвигателя.

В седьмой главе приведены результаты практических аспектов использования предлагаемых методик оптимизации проектных решений по судовому машиностроительному оборудованию и анализ полученных результатов.

Разработанные модели согласованного критерия эффективности предназначены для объективного и достоверного обоснования технических решений по судовому оборудованию в процессе его проектирования. Достоверность состоит в принятии решений в условиях превышения величины критерия эффективности над погрешностью определения его значения. Уменьшение погрешности достигается устранением из рассмотрения всей совокупности составляющих глобального критерия, которые не зависят от принимаемых технических решений по оборудованию. Обычно именно эти составляющие, имеющие значительный разброс реализаций и большую величину, определяют основную часть погрешности.

Объективность достигается оптимизацией объекта верхнего иерархического уровня технической системы - судна, включающего проектируемое оборудование в качестве элемента или подсистемы. Объективность достигается также путем корректного, аналитически обоснованного учета изменений в показателях эффективности объекта верхнего уровня на основе суммирования локального показателя эффективности оборудования (локального критерия) и поправки на изменение его системно-важных параметров, отражающей изменения в прочих элементах сложной технической системы.

Как правило, оптимизация технических решений по судовому оборудованию производится вариантным методом - путем сравнения вариантов, отличающихся анализируемым техническим решением и только им. Остальные технические решения по проектируемому оборудованию не изменяются.

В этих условиях применение разработанных моделей согласованного критерия требует осуществления следующих действий;

- подготовить файл исходных данных, содержащий характеристики судна, перспективного для использования проектируемого оборудования, и базового варианта оборудования на данном судне. Для этого следует обратиться к данным о судне предполагаемого заказчика оборудования, или, если оборудование проектируется опережающим методом, то к характеристикам перспективной сетки типоразмеров судов. Для расчета технико-экономических характеристик судна,

если они неизвестны или возникают затруднения с их определением из другого источника, можно обратиться к моделям, включенным в состав WINDOWS -приложения, описанного далее.

Далее эти параметры из файла этой модели переносятся в файл исходных данных базового варианта оборудования. Для определения численных значений этих характеристик следует обратиться к моделям проектирования оборудования, например, модели LEBEDKA, реализующей проектирование грузовой лебедки. Возможно задание численного значения стоимости оборудования или его определение с применением аппроксимационных зависимостей, приведенных в работе.

Сам согласованный критерий - это приращение прибыли на принятом судне с новым оборудованием по сравнению с судном с базовым вариантом оборудования. Положительное значение согласованного критерия свидетельствуют о получении дополнительной прибыли за счет экономии расходов или дополнительных доходов от эксплуатации судна.

Во вторую очередь анализируется значение нормы прибыли. Если его значение отрицательно при положительном значении первого критерия, это свидетельствует об абсолютной эффективности варианта - и прибыль получена, и капитальные затраты уменьшились.

Случай, когда и согласованный критерий и норма прибыли отрицательны, бесперспективен, т.к. и прибыль упала, и стоимость возросла. Рассмотренная методика применения согласованного критерия для сравнения вариантов технических решений принимаемых при проектировании судового оборудования является основной, т.к. методом оптимизации судового оборудования является вариантный метод. Даже в случае плавного варьирования исходных данных при проектировании судового оборудования технические параметры и показатели эффективности изменяются скачкообразно вследствие изменения принятых типоразмеров комплектующих - электродвигателей, турачек, тросов, муфт, редукторов и пр.

Наличие седловин в зависимости критерия эффективности от варьируемых параметров затрудняет принятие решений при изменении как единственного параметра, так и в особенности совокупности параметров. Проведение научных исследований с построением плавных кривых и принятие решений на основе их анализа при реальном проектировании судового оборудования, как правило, невозможно. Изменение анализируемого фактора приводит к неоднократному изменению выбора типоразмеров комплектующего оборудования и вследствие этого к неоднократному скачкообразному изменению показателей эффективности, как в положительную, так и в отрицательную сторону.

Критерий согласованной системной эффективности предназначен для сравнения вариантов. Применение представленной методики позволяет объективно сравнить конкурирующие варианты и в данных конкретных условиях выбрать лучший.

В качестве примера в работе представлена блок-схема алгоритма оптимизации лебедки (рис.16).

Результаты расчета представлены в графической форме на рис.17. На этом рис. приведены следующие характеристики: 1 - дополнительная прибыль по сравнению с базовым вариантом. Для последнего скорость подъема груза равна 0,5 м/с. Абсцисса базового варианта отмечена вертикальной штриховой линией.

0,0

Рис. 16 . Блок-схема алгоритма оптимизации лебедки Зависимость критерия от скорости перемещения груза претерпевает разрыв непрерывности при значениях У= 0,384 и 0,761- при переходе на другой типоразмер грузовой лебедки с другим типоразмером приводного электродвигателя.

Под номером 2 приведена зависимость для среднестатистического числа рейсов за год. Длительность режима погрузки - выгрузки прямо пропорциональна скорости рабочих движений, определяемых скоростью подъема номинального груза. При изменении скорости подъема груза в пределах от 0,3 до 1,3 м/с число рейсов за год увеличивается на один - с 6,07 до 7,16.

Номером 3 отмечена первоначальная стоимость грузовой системы ЭТО. Последняя принималась пропорциональной массе грузовой системы. Масса же грузовой системы пересчитывалась пропорцио-

—г I *) г) ___

1 ■ I 6)

\\ 1

а) 1 1 / \ 4

\/ 1 2

I '

\ 1 1

1 1

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,в 0,9 1,0 1,1 1.2 Цм/с

Рис.17. Результаты работы модели ЬеЬе<1ка Ор1.

нально массе грузовой лебедки, проектируемой индивидуально для каждого значения скорости подъема груза. Причиной скачков стоимости является переход на другой типоразмер приводного электродвигателя грузовых лебедок.

Под номером 4 на график нанесено отношение дополнительной прибыли по сравнению с базовым вариантом к дополнительным капитальным вложениям - разнице первоначальной стоимости двух вариантов - вновь проектируемого и базового.

Поскольку диапазон 0,77 - 1,35 м/с не включает базового варианта и STO не равно STOB, применение показателя эффективности способно дать дополнительную информацию об анализируемом явлении.

Как видно из рис.17, весь диапазон скоростей от 0,3 до 1,3 обеспечивается тремя ступенями первоначальной стоимости грузовой системы, которая в этом диапазоне скоростей оснащается всего четырьмя типоразмерами лебедок. Первая (а) с приводным электродвигателем МАП511-6, вторая (б) с приводным электродвигателем МАП611-6. Третья ступень (в) первоначальной стоимости фактически обеспечивается двумя лебедками: в диапазоне 0,76 - 0,98 м/с используется типоразмер с приводным электродвигателем МАП612-6, а диапазон 0,98 - 1,3 м/с (г) с приводным электродвигателем МАП612-4. Границы диапазонов применения лебедок с базовыми электродвигателями изображены на рисунке штрихпунктирными линиями.

Разработанное программное обеспечение, моделирующее процессы проектирования судового машиностроительного оборудования, самостоятельно обращается к базам данных файловой структуры, в которых должны быть сосредоточена информация о типоразмерных рядах комплектующих проектируемого оборудования и систем морской техники. Как правило, компоненты базы данных комплектующих судового оборудования должны располагаться в директории, в котором ведется проектирование и именно в том формате, который предусмотрен в проектирующем модуле.

В работе приведены необходимые таблицы, демонстрирующие форму представления информационных файлов по техническим характеристикам электродвигателей и цилиндрических редукторов. Файл параметров назначения электродвигателей, включает данные, достаточные для выбора электродвигателя из типоразмер-ного ряда, проверки его работоспособности на режимах эксплуатации и при пуске, разработки требований к передаточному отношению редуктора.

Для оценки эффективности как выбранного двигателя, так и включающего его судового оборудования и систем морской техники, этих данных недостаточно, необходимы еще характеристики, входящие в состав критериев эффективности — массо-габаритные характеристики, показатели энергетической эффективности, эксплуатационной надежности, первоначальной стоимости, текущих эксплуатационных расходов. Должны быть известны алгоритмы их определения или эти характеристики должны быть представлены в базе данных.

В качестве примера в табл.2 приведен пример файла базы данных, содержащий массогабаритные характеристики типоразмеров электродвигателей типа МАП.

Табл.2 содержит следующие массогабаритные характеристики электродвигателей:

L.as- наибольшая длина с учетом двух валов отбора мощности, мм;

В,as - габаритная ширина, мм; Нгаб - габаритная высота, мм; LKopn - длина корпуса, мм;

В4- ширина от оси электродвигателя до крайней точки соединительной коробки, мм;

L,o - длина вала отбора мощности, мм; D,0 - диаметр вала отбора мощности,

мм;

G - масса, кг.

Характеристики в базах данных необходимы для реализации процесса проектирования судового оборудования, так как оно, как правило, комплектуется из стандартных и унифицированных элементов. Создание и поддержание баз данных -специфическая задача разработки систем автоматизированного проектирования САПР судового машиностроительного оборудования и систем морской техники. В задачу настоящей работы не входила разработка САПР судового оборудования и систем. Эта необъятная задача должна стать предметом самостоятельного рассмотрения.

Таблица 2

Массогабаритные характеристики электродвигателей МАП горизонтального исполнения на лапах_

№пп Т/р двигателя £„„„„ В, £„„ ß.„ G

1 МАП111 435 332 240 315 192 60 28 65

2 МАП 112 490 332 240 370 192 60 28 73

3 МАП211 550 383 282,5 367 228 80 35 95

4 МАП311 700 418 322,5 471,5 248 110 40 155

5 МАП411 750 487 366 526 292 110 50 235

6 МАШ И Б 724 414 345 558 255 82 45 220

7 МАП511 1000 555 425 696 330 140 65 410

8 МАП611 1064 625 475 660 365 140 70 595

9 МАП612 1164 625 478 855 365 140 70 710

В настоящей работе решалась, более частная задача создания методов и моделей обоснования технических решений, принимаемых при проектировании судового оборудования и систем морской техники, объективно отражающих влияние принимаемых решений на иерархическую систему, включающую проектируемое оборудование в качестве элемента или подсистемы.

Для выполнения примеров оптимизации судового оборудования и систем морской техники с применением разработанных методов и моделей нужны базы данных комплектующего оборудования. Этим вопросам посвящены заключительные разделы настоящей работы.

Здесь же представлена программа, выполненная в современной интегрированной среде Delphi (Delphis и Delphi8) и . Delphi - визуальная среда программирования в Windows на языке Object Pascal, разработанная фирмой Borland. Delphi является наиболее мощным из всех паскалевских компиляторов в настоящий момент. Delphi сочетает в себе особенности визуального программирования с дружественной программисту средой разработки, архитектура которой построена на компонентах.

Среда обладает удобным интерфейсом, который исключает значительную часть рутинной работы по программированию. Использование Delphi позволяет разрабатывать программы на совершенно новом качественном уровне. Основой программы в Delphi являются формы -окна Windows. На формах располагаются необходимые для работы приложения (проекта) компоненты. Каждая программа имеет хотя бы одну форму, но чаще всего несколько. Каждой форме в программе, разработанной в среде Delphi, соответствуют три файла с расширениями PAS, DFM, и DCU. PAS-файл содержит код Object Pascal для соответствующей формы. В файле DFM хранится описание окна формы, а в DCU - файле хранится откомпилированный файл модуля. Файлы DCU дают необходимую базу для работы компоновщика, который преобразует их в единый загружаемый файл с расширением ЕХЕ.

Кроме того, к программе можно подключить модули с функциями общего назначения, не относящиеся ни к какой форме, в том числе и разработанные ранее в Borland Pascal для DOS и Windows. Все модули объединяются в единую программу с помощью файла - проекта с расширением \DPR.

Разработанный комплекс программ состоит из 3 форм и одного блока (без формы) с программным кодом основных процедур проекта.

Выбор варианта расчета проводится на первой открывшейся форме под названием "НАСТРОЙКА".

Описание форм приведено в диссертации

Разработанная программа предусматривает обработку исключительных ситуаций (ИС), возникающих при некорректных действиях программы. В случае возникновения при работе программы ИС она остановится, а на экране появится окно, в котором будет дана информация о возникшей ошибке.

В качестве примера на рис.18 приведены результаты сравнительных расчетов базового и нескольких предлагаемых вариантов эксплуатации системы траверзной

передачи грузов в море

з„„к„ при изменении величины

линии эксплуатации. Как видно из рисунка, при изменении дальности плавания от 1000 до 20000 миль число рейсов изменяется от 25 до 3,7. В каждом из рейсов производится погрузка - выгрузка груза в соответствии с расчетной грузоподъемностью при помощи сравниваемых систем траверзной передачи грузов в море. Зависимость грузоподъемности от величины линии принята линейной, уменьшающейся пропорционально увеличению запасов топлива на главный двигатель и вспомогательные установки.

По сравнению с базовым вариантом дополнительный доход от перевозки грузов при уменьшении величины линии падает вследствие увеличения длительности режимов погрузки, пропорционально числу рейсов за годовой период эксплуатации (кривая Ьдоп),. Величина согласованного критерия эффективности (кривая Кг) монотонно падает при уменьшении величины линии.

При изменении числа рейсов длительность работы оборудования траверзной передачи грузов изменяется пропорционально. Зависимость числа рейсов от дальности плавания - приблизительно гиперболическая, а обратная ей зависимость длительности исчерпания заданного ресурса - приблизительно линейная.

Рис.18. Исследование влияния длины линии Г на эффективность систем траверзной передачи грузов в море

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Рассмотрены особенности работы и требование к характеристикам основных типов судовых механизмов, которые по функциональному признаку выделены в следующие группы судового оборудования:

-палубные механизмы: якорно-швартовные шпили и брашпили, лебедки всех типов и назначений;

-устройства управления направлением движения судна: рулевые машины, приводы подруливающих устройств, силовые приводы успокоителей качки.

-грузоподъемные механизмы: стреловые устройства, судовые краны, кран-балки, краны-манипуляторы, мостовые краны машинных отделений;

Рассмотрены особенности работы и требования к характеристикам основных типов судовых механизмов.

2. Показаны технические предложения по совершенствованию якорно-швартовных механизмов, рулевых машин, приводов успокоителей качки, судовых электрогидравлических кранов общего и специального назначения. Разработан универсальный судовой палубный кран, обеспечивающий как выполнение обычных погру-зо-разгрузочных операций, так и передачу грузов траверэным способом с судна на судно или на стационарный объекте условиях волнения моря.

3. Представлены различные схемы передачи грузов в море на ходу. Среди них наиболее популярная система траверзной передачи грузов, обеспечивающая передачу не только сухих, жидких грузов, но их передачу на принимающее судно людей -сменных команд экипажей и др. Приведены основные управления динамики судовых канатных дорог (СКД) в безразмерной форме. Определены основные параметры модели СКД, позволяющие распространить результаты моделирования на натурные условия.

4. Предложена оригинальная конструкция устройства для транспортировки вертолета на палубе корабля. В ее основу заложен принцип обеспечения синхронной работы гидравлических лебедок с постоянным натяжением тросов, сохранением неизменного расчетного усилия в тянущем тросе, варьированием усилия в тормозном тросе в зависимости от условий качки и ветровой нагрузки. Устройство автоматически реагирует на внешние возмущающие воздействия качки и ветра, не допускает провисания тросов и, как следствие, рывков и неравномерности движения транспортируемого объекта на палубе корабля.

5. Проведены технические решения по созданию тросового аэрофинишера, предназначенного для использования на современных авианесущих кораблях с целью эффективного сокращения длины пробега и торможения палубных летальных аппаратов при их посадке на полетную палубу корабля с высокой посадочной скоростью. Разработаны математические модели основных элементов гидравлической системы аэрофинишера, позволяющие определить функциональные и конструктивные параметры основных узлов аэрофинишера в зависимости от характеристик летательных аппаратов.

рудования под судно с определенными характеристиками, разработка проекта оборудования под судно перспективной постройки и выработка для заказчика взаимно приемлемых предложений. Не исчерпали своей значимости программно-целевые и статистические модели для разработки сеток типоразмеров судов перспективной постройки. В значительном числе случаев параметры оборудования в большой степени определяют характеристики судна. В этом помогает обратный процесс определения параметров на основе требований Регистра РФ.

7. Основное достижение системного анализа - обоснованное построение критериев эффективности проектируемых объектов и доказательное принятие технических решений, оптимизирующих сложную техническую систему в целом, а не объект проектирования. В процессе обоснования параметров объектов морской техники используются критерии эсрфективности трех типов - локальные, глобальные и согласованные. Первые рассчитываются на уровне объекта проектирования. Эти критерии эффективности могут найти применение в случае, если системно-важные параметры объекта проектирования, оказывающие влияние на характеристики других объектов, входящих в состав сложной технической системы, остаются неизменными или их изменение пренебрежимо мало. В качестве локального критерия экономической эффективности судового оборудования может быть использована полная совокупность затрат, связанная с эксплуатацией этого оборудования и находящая свое выражение в форме приведенных затрат по оптимизируемому оборудованию. В случае изменения в процессе проектирования оборудования его системно-важных параметров, например, массы, габаритов или затрат топлива, локальный критерий эффективности не обеспечивает достоверной оптимизации объекта верхнего уровня - транспортного судна. В этом случае локальный критерий в определенных условиях не обладает требуемой степенью объективности.

8. Объективная оценка эффективности верхнего иерархического уровня сложной технической системы может быть получена с применением глобальных критериев эффективности, рассчитанных по судну в целом. Для транспортных судов критерием оптимальности является критерий экономической эффективности: для судовладельца наилучшим является вариант судна, обеспечивающего получение наибольшей прибыли П на капитал К0, вложенный в его приобретение, или их отношения - нормы прибыли.

При помощи глобальных критериев могут обосновываться лишь крупные технические решения, изменения которых приводят к изменениям критерия большим, чем погрешность его определения. На разных стадиях проектирования судна эта погрешность различна, особенно она велика на ранних стадиях, в том числе при обосновании типоразмерных рядов и проектировании типоразмеров судового оборудования. Учитывая, что на этих этапах стоимость судна определяется с погрешностью до ±30%, в этот доверительный интервал укладывается любое техническое решение по судовому оборудованию. Можно сделать вывод о неприменимости глобальных критериев, рассчитываемых по объекту верхнего уровня, для оптимизации технических решений по судовому оборудованию.

средованно через его влияния на прочие элементы сложной системы. Может быть получено аналитическое выражение для такого приращения, основанное на замене частных производных глобального критерия эффективности по системно-важным параметрам на значение дифференциала, вычисляемого в базовой точке. Устранение из рассмотрения большей части подсистем судна, не изменяющихся от применения рассматриваемого технического решения и в то же время создающих основную величину погрешности, позволяет существенно увеличить достоверность выбора решений, оптимизирующих судно. Согласованный критерий обладает повышенной информативностью — комплексным свойством объективности и достоверности, позволяющим проводить оптимизацию технических решений, не обладающих требуемым уровнем значимости (величиной приращения эффективности) по сравнению с погрешностью определения глобального критерия на ранних стадиях проектирования судов.

10. Рассмотрены способы и сделаны предложения по оценке влияния показателей качества судового оборудования, устройств и систем на показатели эффективности морских транспортных судов, оснащаемых этим оборудованием. Применение согласованного критерия эффективности позволило обеспечить требуемый уровень информативности при оптимизации судового машиностроительного оборудования при его опережающем проектировании. Предложены аналитические методы определения комплексных показателей качества оборудования в виде локальных критериев и системных поправок. Разработаны выражения для составляющих согласованного критерия в функции от системно-важных показателей качества и технических параметров судового оборудования. Предложены алгоритмы для обоснования технических решений по судовому оборудованию, пригодные для разработки программ.

11. Избранная для анализа совокупность представителей судового машиностроительного оборудования - судовые подъемно-транспортные машины и палубные механизмы при всем их разнообразии по существу идентичны по своей структуре, функциям и составу оборудования. Во всех них в том или ином варианте повторяется грузовая лебедка с приводом, соединительными устройствами, передачей, тормозными устройствами, грузоподъемным механизмом • барабаном, звездочкой или турачкой, тросом, шкентелем или цепью, системой блоков. Методика их проектирования в основе едина с частными вариациями относительно режима работы и диапазонов рекомендуемых значений параметров. Таким образом, разработка методики оптимизации одного типа оборудования - грузовых лебедок охватывает большую группу оборудования - кранов всех типов и назначений, буксирных устройств, рыбопромысловых механизмов, якорно-швартовных машин, лебедок всех назначений.

12. В процессе проектирования грузовых лебедок и других подобных им элементов судовых устройств происходит варьирование совокупности контролируемых параметров. Важнейшим фактором проектирования является стандартизация конструкций, материалов, узлов, элементов судовых устройств в целом, изделий конечного уровня.

13. Цель проектирования состоит в определении совокупности контролируемых параметров, обеспечивающих достижение экстремума согласованного критерия эффективности. Достижение экстремума функции цели возможно только комплексное - компромиссное, характерное для каждого конкретного сочетания внешних факторов. В связи с опережающим проектированием судового оборудования оценка его оптимальных параметров производится с учетом характеристик типоразмеров судов перспективной постройки. В процессе же выбора типоразмера машины для вновь проектируемого судна оценивается эффективность существующих типоразмеров, планируется возможное изменение цены в зависимости от показателей качества

оборудования, реализуемых на данном судне, и рассматриваются возможные изменения комплектации с учетом типорядов комплектующего оборудования.

14. Разработанные алгоритмы анализа согласованной эффективности реализованы в виде программного обеспечения оптимизации судового машиностроительного оборудования и систем. Математическая модель обеспечивает сравнение вариантов судового оборудования, отличающихся анализируемыми техническими решениями, с достаточной достоверностью и информативностью.

Учитывая широкий спектр номенклатуры судового машиностроительного оборудования, модель согласованной оптимизации разрабатывалась как универсальная - инвариантная к виду и типу проектируемого оборудования. Особенности должны учитываться при разработке моделей проектирования оборудования, которые, очевидно, специфичны. Вследствие сложного совокупного влияния изменения параметров судового оборудования при проектировании на эффективность их использования на судах, основным вариантом применения разработанных моделей является их использование при вариантных проработках.

15. В качестве критерия согласованной системной эффективности судового оборудования разработанная математическая модель обеспечивает определение величины дополнительно получаемой прибыли от эксплуатации судна, укомплектованного анализируемым оборудованием по сравнению с базовым вариантом этого судна.

16. Дополнительная прибыль - основной критерий эффективности. При получении его положительного значения прибыль увеличивается. Однако одновременно может быть увеличена первоначальная стоимость оборудования. Поэтому следует проанализировать эффективность использования дополнительных капитальных вложений. Для реализации такой возможности модель обеспечивает вычисление нормы прибыли - выраженного в процентах отношения годовой прибыли к дополнительным капитальным вложениям.

17. Объективная оценка эффективности судового оборудования и систем обеспечивается одновременным анализом двух выражений эффективности. При получении дополнительной прибыли следует оценить объем этой прибыли, сравнить его с дополнительными капитальными вложениями и установить период их окупаемости.

18. Разработаны реализации методики анализа согласованной эффективности, обеспечивающие дополнительные возможности - визуализацию процесса проектирования. В качестве примера применения средств визуализации выполнено исследование влияния скорости подъема груза на согласованную эффективность грузовой системы сухогрузного судна с использованием интегрированной среды Delphi.

19. Разработаны модели проектирования принятой для анализа номенклатуры судового машиностроительного оборудования, в том числе грузовых лебедок с электроприводом, палубных кранов общего назначения с электро-гидроприводом основных механизмов, электро-гидроприводных рулевых машин плунжерного типа.

20. С использованием разработанных моделей критериев эффективности и моделей проектируемого оборудования выполнены примеры расчетных исследований эффективности грузовых лебедок, электрогидравлических палубных подъемных кранов, систем траверзной передачи грузов в море на ходу судна.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Суслов В.Ф,, Валиева С.Д. Синтез алгоритма вычисления аналитических выражений статических моментов. ЦНИИ "Румб", Вопросы кораблестроения, сер. Технология и организация производства корабельного машиностроения, вып.2, 1979.

2. Суслов В.Ф., Валиева С..Д. Синтез структуры математической модели кинематической цепи исполнительного органа манипуляционного робота. ЦНИИ "Румб", Вопросы кораблестроения, сер. Технология и организация производства корабельного машиностроения, вып.2, 1979.

3. Суслов В.Ф Анализ опыта работы ЦНИИ СМ по созданию изделий судового машиностроения. Судостроительная промышленность, сер. Технология и организация производства. Судовое машиностроение. Опыт проектирования и создания судовых механизмов, вып.1, 1996.

4. Суслов В.Ф О новых разработках конкурентоспособного судового оборудования. Судостроительная промышленность, сер. Технология и организация производства. Судовое машиностроение. Опыт проектирования и создания судовых механизмов, вып.1, 1997.

5. Суслов В.Ф. Пашкевич И.А. Опыт создания наукоемких изделий судового машиностроения. Труды СПб инженерной академии, отделение судостроения, том 2, 1999 .

6. Суслов В.Ф., Завирухо В.Д. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области судового машиностроения в условиях современной экономической ситуации. Судостроительная промышленность, сер. Технология, вып.1, 2002.

7. Суслов В.Ф. Основные направления совершенствования судового машиностроительного оборудования, "Морской вестник", №1, 2004.

8. Суслов В.Ф. Основные направления технического совершенствования комплексов корабельных устройств и механизмов. "Морской вестник", №4, 2004

9. Суслов В.Ф., Даниловский А.Г. Материалоемкость судового машин-строительного оборудования можно уменьшить. Сб. «Вопросы динамической прочности, вибрации и безопасности эксплуатации корпусов судов», Тр. ЦНИИ им. Акад. А.Н. Крылова, вып.2 (305), 2005.

Ю.Суслов В.Ф., Исследование сравнительной эффективности траверзной систем траверзной передачи грузов в море. Сб. «Вопросы динамической прочности, вибрации и безопасности эксплуатации корпусов судов», Тр. ЦНИИ им. Акад. А.Н. Крылова, вып.2 (305), 2005 .

11.Суслов В.Ф и др. Судовой кран. Патент РФ RU 2241663 С2, 2002.

12. Суслов В.Ф..Даниловский А.Г.,Ефимов О.И., Исаев И.И., Шаманов Н.П. Оптимизация судового машиностроительного оборудования, монография, т.1, СПбГМТУ, 2004.

13.Суслов В.Ф. Даниловский А.Г., Шаманов Н.П. Оптимизация судового машиностроительного оборудования, монография, т.2, СПбГМТУ, 2004.

Н.Суслов В.Ф., Поляков В.Г., Шиманский H.A., Трифонов С.С., Копытов Ю.В., Спиридопуло В.И.Устройство для перемещения объекта на палубе корабля, преимущественно летательного аппарата. Патент РФ RU 2141435 С1,1998г.

ИЦ СПбГМТУ, Лоцманская, 10

Подписано в печать 16.09.2005. 3ак.3025. тир.100.2,45 печ. л

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Суслов, Валерий Федорович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДОВОГО МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И МЕХАНИЗМОВ.

1.1. Палубные механизмы.

1.1.1. Якорно-швартовные механизмы.

1.1.2. Буксирные лебедки.

1.2. Устройства управления направлением движения судна.

1.2.1. Рулевые машины.

1.2.2. Приводы успокоителей качки.

1.2.3. Подруливающие устройства (ПУ).

1.3. Грузоподъемные механизмы.

1.3.1. Грузоподъемные устройства.

1.3.2. Судовые краны.

1.4. Комплексы корабельных устройств и механизмов.

1.4.1. Комплексы устройств передачи сухих и. жидких грузов между кораблями в море на ходу.

1.4.2. .Комплекс устройств для транспортировки вертолета на палубе корабля.

1.4.3. Комплекс машин и устройств для взлета и посадки самолетов. на палубу авианесущего корабля.

1.5. Особенности работы и требования к основным типам судовых механизмов.

1.5.1. Требования к характеристикам рулевых, якорных, швартовных и буксирных устройств.

1.5.2. Особенности работы грузовых устройств и требования к их характеристикам.

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СУДОВОГО МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

2.1. Якорно-швартовные механизмы.

2.1.1. Оснащение отечественного флота судовыми лебедками и якорно-швартовными механизмами.

2.1.2. Якорно-швартовные шпили с электрическим и электро-гидравлическим приводом.

2.1.3. Типоразмерный ряд швартовных безбаллерных шпилей.

2.1.4. Лебедки швартовные автоматические и неавтоматические.

2.1.5. Брашпилъные приставки.

2.2. Рулевые машины, приводы успокоителей качки и подруливающих устройств.

2.2.1. Перспективы развития отечественных рулевых машин для судов морского флота и кораблей ВМФ.!.

2.2.2. Адаптация отечественных рулевых машин к зарубежным системам управления.

2.2.3. Развитие приводов отечественных успокоителей качки.

2.3. Судовые грузоподъемные механизмы.

2.3.1. Совершенствование технических характеристик и эксплуатационных качеств судовых электрогидравлических кранов общего назначения.

2.3.2. Судовые вспомогательные краны.

2.3.3. Разработка комбинированных кран-балок для обеспечения спуска-подъема шлюпок, спасательных плотов и грузов различного назначения.

2.3.4. Типоразмерный ряд кранов. манипуляторов со складыва-ющейся стрелой.

2.3.5. Универсальный судовой кран.

2.3.6. Кран-трап для пожарно-спасательных судов.

2.3.7. Специальные судовые краны для работы в условиях волнения моря.

2.4. Комплексы корабельных устройств и механизмов.

2.4.1. Комплексы устройств передачи сухих и жидких грузов между кораблями в море на ходу.

2.4.2. О возможности моделирования судовых канатных дорог.

2.4.2.1. Основные уравнения.

2.4.2.2. Уравнения движения системы движения СКД в безразмерной форме.

2.4.2.3. Основные параметры модели СКД.

2.4.3. Комплекс устройств для транспортировки вертолета на палубе корабля.

2.4.4. Комплекс машин и устройств для взлета и посадки самолетов. на палубу авианесущего корабля.

2.4.4.1 Аэрофинишер.

2.4.4.2. Математическое моделирование основных функций аэрофинишера.

2.4.4.3. Описание модели клапана управления.

2.4.4.4 Паровая катапульта.

ГЛАВА 3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ СУДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

3.1. Формулирование целей и задач оптимизационного исследования.

3.2. Выбор типовых представителей судового оборудования для отработки методик оптимизации

3.3. Анализ состава разработок ипостановка задачи оптимизационного исследования.

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ.

4.1. Анализ сложных технических систем и обоснование критериев эффективности объектов и оборудования морской техники.

4.2. Согласованная системная оптимизация судового машиностроительного оборудования.

4.3. Модели экономического анализа объектов морской техники.

4.4. Методы комплексной оценки качества изделий.

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ СОГЛАСОВАННОЙ СИСТЕМНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ СУДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

5.1. Использование согласованного критерия эффективности для сравнительной оценки качества судового машиностроительного оборудования.

5.2. Выражение для согласованного критерия эффективности.

5.3. Понятие о сухой, рабочей и полной массе судового оборудования.

5.4. Качественный и количественный анализ связей совокупности контролируемых параметров с показателями качества судового оборудования.

5.5. Методика определения локального критерия эффективности.

5.6. Методика определения системной поправки к значению критерия эффективности.

5.7Применение стандартного программного обеспечения для расчета составляющих согласованного критерия эффективности.

5.8 Разработка математической модели для расчета согласованного критерия эффективности судового машиностроительного оборудования.

ГЛАВА 6 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СУДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

6.1. Алгоритм расчета грузовых электрических лебедок.

6.2. Алгоритм расчета судовых электрогидравлических подъемных кранов.

6.3. Моделирование электрогидравлических рулевых машин.

6.4. Модели поиска оптимальных решений.

ГЛАВА 7 ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО СУДОВОМУ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ.

7.1. Методика применения программного обеспечения и баз данных при проведении оптимизационных исследований судового оборудования.

7.2. Применение средств визуального проектирования для анализа согласованной эффективности судового оборудования.

7.3. Оптимизация судовых грузовых лебедок.

7.4. Анализ эффективности технических решений по судовым электрогидравлическим подъемным кранам.

7.5. Анализ эффективности систем траверзной передачи грузов в море.

Введение 2005 год, диссертация по кораблестроению, Суслов, Валерий Федорович

Гражданские суда и корабли ВМФ - это одни из наиболее сложных инженерных сооружений, которые создало человечество за период своего исторического развития. Они включают в свой состав большое число разнообразных механизмов, оборудования, систем и комплексов, обеспечивающих выполнение задач, стоящих перед судном или кораблем.

В судовом оборудовании протекают сложные физические процессы, не поддающиеся в полной мере теоретическому описанию. Именно поэтому создание новых образцов судовой техники сопровождается трудоемкими исследованиями на моделях, опытных и головных образцах и требует значительных периодов времени - нередко достигающих трех - пяти и более лет.

Несмотря на указанные трудности, практически возможно создавать суда и корабли и за более короткие сроки. Такая возможность существует за счет создания комплектующего оборудования заранее - до начала проектирования кораблей и судов.

Характерной особенностью современного этапа развития мировой цивилизации является стремительная глобализация явлений и процессов, происходящая в различных сферах деятельности человека. Производства становятся взаимоувязанными и взаимообусловленными.

Современный этап развития информационных технологий представляет возможности для углубления глобализации процессов производства судового оборудования, например, средствами информационных сетей, и для налаживания взаимодействия между Потребителем и поставщиком. Последняя проблема может быть решена как традиционными Средствами вычислительной техники и программирования, так и продвинутыми в последние годы методами оптимизации и визуального проектирования. Наряду с взаимодействием в мировых производствах имеет место жесткая конкуренция. Широкое открытие отечественных границ доступу зарубежных товаров и услуг, отсутствие достаточной поддержки отечественных производителей, ставит наши производства в худшие условия по сравнению С зарубежными поставщиками.

В этих условиях выживание и развитие высокотехнологичных производств возможно только за счет полного использования возможностей повышения эффективности производимого оборудования, прежде всего за счет всех технического совершенствования, согласования характеристик оборудования с характеристиками объектов, включающих данное оборудование.

Именно эти проблемы явились основанием для выполнения настоящей работы, посвященной оптимизации судового машиностроительного оборудования и систем морской техники. Термин " оптимизация" в последнее время утратил присущую ему ранее четкость. Сейчас под оптимизацией понимают любое, подчас незначительное, улучшение проектируемого объекта, нередко Относительное и неоднозначное. Поэтому в работе определяются те аспекты оптимизации судового оборудования, которые предполагается развить, а именно, техническое совершенствование изделий с отслеживанием как положительных, так и отрицательных факторов применяемых новаций, применение технико -экономических методов оптимизации сложных технических систем, включающих проектируемые объекты в качестве элементов и подсистем, и использования этих методов в процессе опережающего проектирования судового машиностроительного оборудования. В области оптимизации судов эти методы успешно развиты В.М. Пашиным.

В процессе внедрения системных методов в оптимизацию судового оборудования возникает масса проблем, три основополагающие из которых определены во введении. Это проблемы достоверности и информативности критериев эффективности и проблема разрыва во времени между созданием и применением Судового машиностроительного оборудования.

Последняя проблема вполне очевидна и заключается в том, что создание серийных образцов изделий судового машиностроения требует значительного периода времени для исследований, проектирования, изготовления и испытания образцов, организации производства. В этих условиях разрабатываемые модели системной оптимизации позволяют определить наиболее перспективные образцы, сконцентрировать на них имеющиеся резервы и продвигать их, доводя до инновационного уровня с последующим возвратом вложенных средств. При определении характеристик перспективных образцов помогают государственные и отраслевые стандарты.

К неопределенности характеристик объектов верхнего иерархического уровня добавляется значительная погрешность прогнозирования их технико-экономических характеристик и незначительный вклад проектируемого оборудования в состав эффективности систем верхнего уровня иерархии. Превышение погрешности определения глобальных критериев эффективности над приращением этого критерия от применения проектируемого объекта, лишает возможности прямого применения этих критериев для оптимизации судового оборудования.

Ведущим отечественным производителем судового машиностроительного оборудования является ОАО "Пролетарский завод". Этим предприятием производится широкий спектр рулевых и якорно-швартовных машин, грузоподъемных механизмов с обширной областью применения, в том числе для передачи грузов в море, устройств водоподготов-ки, значительное количество судовых и корабельных машин, механизмов, устройств и систем, а также их компонентов, значительное количество типов конверсионного оборудования, ряд типов лицензионного оборудования и компонентов. Большинство перечисленного оборудования разработано научным и проектным центром ОАО "Пролетарский завод" - ЗАО "ЦНИИ судового машиностроения" (ЦНИИ СМ),- созданного в 1970г на базе ЦКБ Пролетарского завода. В значительной мере материал настоящей работы построен на опыте, накопленном ЦНИИ СМ за более чем тридцать лет своей работы.

Основной целью диссертации является обоснование и разработка основных направлений совершенствования и повышения качества судового машиностроительного оборудования.

В качестве методической основы решения этой проблемы принят системный подход, при котором объекты исследований рассматриваются как часть весьма сложной системы-судна, которая в свою очередь является объектом проектирования, производства и эксплуатации.

В итоге получены следующие основные научные результаты:

1.Проведен анализ судового машиностроительного оборудования и механизмов. По функциональному признаку выделены для исследования следующие группы судового оборудования:

-палубные механизмы: якорно-швартовные шпили и брашпили, лебедки всех типов и назначений;

-устройства управления направлением движения судна: рулевые машины, приводы подруливающих устройств, силовые приводы успокоителей качки;

-грузоподъемные механизмы: стреловые устройства, судовые краны, кран-балки: кран-манипуляторы, мостовые краны машинных отделений;

2.Рассмотрены особенности работы и требования к характеристикам основных типов судовых механизмов.

Разработан универсальный судовой палубный кран, обеспечивающий как выполнение обычных погрузо-разгрузочных операций, так и передачу грузов траверзным способом с судна на судно или на стационарный объект в условиях волнения моря.

3.Представлены различные схемы передачи грузов в море на ходу, среди них наиболее популярные системы траверзной передачи грузов, обеспечивающие передачу не только сухих и жидких грузов, но и передачу на принимающее судно людей сменных команд экипажей и др. Приведены основные управления динамики судовых канатных дорог (СКД) безразмерной форме. Определены основные параметры модели СКД, позволяющие распространить результаты моделирования на натурные условия.

4.Предложена оригинальная конструкция устройства для транспортировки вертолета по палубе корабля. В ее основу заложен принцип обеспечения синхронной работы гидравлических лебедок с постоянным натяжением тросов, сохранением неизменного расчетного усилия в тянущем тросе, варьированием усилия в тормозном тросе в зависимости от условий качки и ветровой нагрузки. Устройство автоматически реагирует на внешние вращающие воздействия качки и ветра, не допускает провисания тросов и, как следствие, рывков и неравномерности движения транспортируемого объекта на палубе корабля.

5.Приведены технические решения по созданию тросового аэрофинишера, предназначенного для использования на современных авианесущих кораблях с целью эффективного сокращения длины пробега и торможения палубных летательных аппаратов при их посадке на полетную палубу корабля с высокой посадочной скоростью. Разработаны математические модели основных элементов гидравлической системы аэрофинишера, позволяющие определить функциональные и конструктивные параметры основных узлов аэрофинишера в зависимости от характеристик летательных аппаратов.

6. Для решения задач оптимизации судового машиностроительного оборудования обосновано построение критериев эффективности проектируемых объектов и доказательное принятие технических решений, оптимизирующих сложную техническую систему в целом, а не объект проектирования в ущерб сложной системе. В процессе обоснования параметров объектов морской техники использованы критерии эффективности трех типов - локальные, глобальные и согласованные. Первые рассчитываются на уровне объекта проектирования. Эти критерии эффективности могут найти применение в случае, если системно-важные параметры объекта проектирования, оказывающие влияние на характеристики других объектов входящих в состав сложной технической системы, остаются неизменными или их изменение пренебрежимо мало. В качестве локального критерия экономической эффективности судового оборудования может быть использована полная совокупность затрат, связанная с эксплуатацией этого оборудования, находящая свое выражение в форме приведенных затрат по оптимизируемому оборудованию. В случае изменения в процессе проектирования оборудования его системно-важных параметров, например, массы, габаритов или затрат топлива, локальный критерий эффективности не обеспечивает достоверной оптимизации объекта верхнего уровня - транспортного судна.

7. Показано, что при помощи глобальных критериев могут обосновываться лишь крупные технические решения, изменения которых приводят к изменениям критерия большим, чем погрешность его определения. На разных стадиях проектирования судна эта погрешность различна, особенно она велика на ранних стадиях, в том числе при обосновании типоразмерных рядов и проектировании типоразмеров судового оборудования. Учитывая, что на этих этапах стоимость судна определяется с погрешностью до ± 30%, в этот доверительный интервал укладывается любое техническое решение по судовому оборудованию. Можно сделать вывод о неприменимости глобальных критериев, рассчитываемых по объекту верхнего уровня, для оптимизации технических решений по судовому оборудованию.

8. Для обоснования решений по таким объектам предложено применение согласованных критериев эффективности, являющихся приложением к данной проблеме метода системного анализа. В первоисточниках эти критерии носят название локальных, чем подчеркивается, что они рассчитываются на уровне оптимизируемого объекта. В данной работе предлагается использовать для них наименование "согласованных критериев", поскольку к собственно локальным критериям, рассчитываемым исключительно по параметрам объекта проектирования, вводится согласующая поправка, учитывающая дифференциальные характеристики объекта верхнего иерархического уровня и позволяющая определить полный вклад проектируемого объекта в значение глобального критерия с учетом влияния данного объекта через изменение его системно-важных параметров, как прямо на сложную систему в целом, так и опосредствованно через его влияние на прочие элементы сложной системы. Получено аналитическое выражение для такого приращения, основанное на замене частных производных глобального критерия эффективности по системно-важным параметрам на значение дифференциала, вычисляемого в базовой точке. Устранение из рассмотрения большей части подсистем судна, не изменяющихся от применения рассматриваемого технического решения и в то же время создающих основную долю погрешности, позволяет существенно увеличить достоверность выбора решений оптимизирующих судно. Согласованный критерий обладает достаточной информативностью - комплексным свойством объективности и достоверности, позволяющим проводить оптимизацию технических решений, не обладающих требуемым уровнем значимости (величиной приращения эффективности) по сравнению с погрешностью определения глобального критерия на ранних стадиях проектирования судов.

12. Доказано, что достижение экстремума функции цели возможно только комплексное -компромиссное, характерное для каждого конкретного сочетания внешних факторов. В связи с опережающим проектированием судового оборудования оценка его оптимальных параметров производится с учетом типоразмеров судов перспективной постройки. В процессе же выбора типоразмера машины для вновь проектируемого судна оценивается эффективность существующих типоразмеров, планируется возможное изменение цены в зависимости от показателей качества оборудования, реализуемого на данном судне, и рассматриваются возможные изменения комплектации с учетом типорядов комплектующего оборудования машин.

13. Разработанные алгоритмы анализа расчета согласованной эффективности реализованы в виде программного обеспечения оптимизации судового машиностроительного оборудования и систем. Модель обеспечивает сравнение вариантов судового оборудования, отличающихся анализируемыми техническими решениями, с достаточной достоверностью и информативностью.

Учитывая широкий спектр номенклатуры судового машиностроительного оборудования, модель согласованной оптимизации разрабатывалась как универсальная - инвариантная к виду и типу проектируемого оборудования. Особенности должны учитываться при разработке моделей проектирования конкретного оборудования, которые, очевидно, специфичны. Подобные модели должны обеспечить выработку численных значений технических характеристик, входящих в состав показателя качества анализируемого оборудования и определяющих эффективность функционирования оборудования в составе судна.

14. В качестве критерия согласованной системной эффективности судового оборудования разработанная модель использует величину дополнительно получаемой прибыли от эксплуатации судна, оборудованного анализируемым оборудованием по сравнению с этим же судном с базовым вариантом оборудования. Дополнительная прибыль может быть получена от экономии расходов по оборудованию, включая плату за пользование капиталом в размере стоимости оборудования и расходов энергии на функционирование оборудования. Кроме этого прибыль может быть получена от изменения годового объема транспортной работы судна вследствие изменения системно-важных параметров оборудования.

15. Установлено, что дополнительная прибыль - основной критерий эффективности. При получении его положительного значения прибыль увеличивается. Однако в тех случаях, когда увеличивается первоначальная стоимость оборудования, следует проанализировать эффективность использования дополнительных капитальных вложений. Для реализации такой возможности модель обеспечивает вычисление нормы прибыли -выраженного в процентах отношения годовой прибыли к дополнительным капитальным вложениям.

16. Разработаны реализации методики анализа согласованной эффективности в среде WINDOWS - приложения, обеспечивающего дополнительные возможности -визуализацию процесса проектирования. В качестве примера применения средств визуализации выполнено исследование влияния скорости подъема груза на согласованную эффективность грузовой системы сухогрузного судна. Применение визуальных моделей позволяет облегчить проведение исследований влияния изменения параметров судового машиностроительного оборудования на эффективность их применения на судах.

17. Разработаны модели проектирования принятой для анализа номенклатуры судового машиностроительного оборудования, в том числе грузовых лебедок с электроприводом, палубных кранов общего назначения с электро-гидро приводом основных механизмов, электро-гидроприводных рулевых машин плунжерного типа. Разработанные модели позволяют установить количественное влияние контролируемых при проектировании параметров на составляющие критериев согласованной системной эффективности.

Заключение диссертация на тему "Разработка и оптимизация судового машиностроительного оборудования"

Результаты работы модели САПР при TRGD = 0

Типоразмер ZC NEL VD BE GD LDR LMKO HRPR UDPZ ZRE

J=26 типоразмер ДВС L35MC 4 2600,0 13,91 0,1775 47,50 3,48 12,25 4,79 0,02835543 7,200

J=27 типоразмер ДВС S26MC 6 2400,0 13,54 0,1791 42,00 3,95 12,67 4,30 0,02814693 7,200 соответствует характеристике судна прототипа Л1; - WINT- тип движителя. WINT= 1 -применен винт фиксированного шага; - TCS - код наличия и типа ТКС - газовой турбины на выхлопных газах дизеля. ТКС =0 - ТКС отсутствует; - TWG - код наличия и тип валогенератора. TWG = 0 - валогенератор отсутствует; - IZVR- доступно ли изменение заданной скорости. Возможны два значения этой переменной: 0 - заданную скорость менять нельзя, 1 - возможна некоторая оптимизация скорости в пределах дополнительного запаса мощности одного цилиндра; - TRGD- выбран типоразмер цилиндра с J = TRGD. J - индекс типоразмера цилиндра из типоразмерного ряда B&W 2001 года МС фирмы MAN . В случае TRGD = 0 просматривается применение всех типоразмеров цилиндров из типоразмерного ряда. Если задано TRGD > 0, то расчет будет выполнен только для одного типоразмера, но подробный с полным анализом экономических характеристик судна и параметров рейса.

Заключение

1.Рассмотрены особенности работы и требование к характеристикам основных типов судовых механизмов, которые по функциональному признаку выделены в следующие группы судового оборудования:

-палубные механизмы: якорно-швартовные шпили и брашпили, лебедки всех типов и назначений;

-устройства управления направлением движения судна: рулевые машины, приводы подруливающих устройств, силовые приводы успокоителей качки!

-грузоподъемные механизмы: стреловые устройства, судовые краны, кран-балки, кран-манипуляторы, мостовые краны машинных отделений;

-комплексы корабельных устройств: устройства для приема и передачи сухих и жидких грузов в море на ходу, комплексы устройств для приема летательных аппаратов на палубе корабля. Рассмотрены особенности работы и требования к характеристикам основных типов судовых механизмов.

2.Показаны технические предложения по совершенствованию якорно-швартовных механизмов, рулевых машин, приводов успокоителей качки, судовых электрогидравлических кранов общего и специального назначения. Разработан универсальный судовой палубный кран, обеспечивающий как выполнение обычных погрузо-разгрузочных операций, так и передачу грузов траверсным способом с судна на судно или на стационарный объект в условиях волнения моря.

3.Пред ставлены различные схемы передачи грузов в море на ходу, среди них наиболее популярная система траверсной передачи грузов, обеспечивающий передачу не только сухих, жидких грузов, но их передачу на принимающее судно людей - сменных команд экипажей и др. Приведены основные управления динамики судовых канатных дорог (СКД) в безразмерной форме. Определены основные параметры модели СКД, позволяющая распространить результаты моделирования на натурные условия.

4.Предложена оригинальная конструкция устройства для транспортировки вертолета на палубе корабля. В ее основу заложен принцип обеспечения синхронной работы гидравлических лебедок с постоянным натяжением тросов, сохранением неизменного расчетного усилия в тянущем тросе, варьированием усилия в тормозном тросе в зависимости от условий качки и ветровой нагрузки. Устройство автоматически реагирует на внешние возмущающие воздействия качки и ветра, не допускает провисания тросов и, как следствие, рывков и неравномерности движения, транспортируемого объекта на палубе корабля.

5.Проведены технические решения по созданию тросового аэрофинишера, предназначенного для использования на современных авианесущих кораблях с целью эффективного сокращения длины пробега и торможения палубных летальных аппаратов при их посадке на полетную палубу корабля с высокой посадочной скоростью. Разработаны математические модели основных элементов гидравлической системы аэрофинишера, позволяющие определить функциональные и конструктивные параметры основных узлов аэрофинишера в зависимости от характеристик летательных аппаратов.

6. В настоящей работе разработаны подходы применения методов системного анализа к решению задачи оптимизации судового машиностроительного оборудования. Реализация этих методов в значительной мере базируется на возможности определения характеристик судов -объектов для будущего применения оборудования. Последняя задача может быть решена различными методами, среди них - заказ оборудования под судно с определенными характеристиками, разработка проекта оборудования под судно перспективной постройки и выработка для заказчика взаимно приемлемых предложений. Не исчерпали своей значимости программно-целевые и статистические модели для разработки сеток типоразмеров судов перспективной постройки. В значительном числе случаев параметры оборудования в большой степени определяют характеристики судна. В этом помогает обратный процесс определения параметров на основе требований Регистра РФ.

7. Основное достижение системного анализа - обоснованное построение критериев эффективности проектируемых объектов и доказательное принятие технических решений, оптимизирующих сложную техническую систему в целом, а не объект проектирования. В процессе обоснования параметров объектов морской техники используются критерии эффективности трех типов - локальные, глобальные и согласованные. Первые рассчитываются на уровне объекта проектирования. Эти критерии эффективности могут найти применение в случае, если системно-важные параметры объекта проектирования, оказывающие влияние на характеристики других объектов входящих в состав сложной технической системы, остаются неизменными или их изменение пренебрежимо мало. В качестве локального критерия экономической эффективности судового оборудования может быть использована полная совокупность затрат, связанная с эксплуатацией этого оборудования и находящая свое выражение в форме приведенных затрат по оптимизируемому оборудованию. В случае изменения в процессе проектирования оборудования его системно-важных параметров, например, массы, габаритов или затрат топлива, локальный критерий эффективности не обеспечивает достоверной оптимизации объекта верхнего уровня - транспортного судна. В этом случае локальный критерий в определенных условиях не обладает требуемой степенью объективности.

8. Объективная оценка эффективности верхнего иерархического уровня сложной технической системы может быть получена с применением глобальных критериев эффективности, рассчитанных по судну в целом. Для транспортных судов критерием оптимальности является критерий экономической эффективности: для судовладельца наилучшим является вариант судна, обеспечивающего получение наибольшей прибыли П на капитал Кс> вложенный в его приобретение, или их отношения - нормы прибыли.

При помощи глобальных критериев могут обосновываться лишь крупные технические решения, изменения которых приводят к изменениям критерия большим, чем погрешность его определения. На разных стадиях проектирования судна эта погрешность различна, особенно она велика на ранних стадиях, в том числе при обосновании типоразмерных рядов и проектировании типоразмеров судового оборудования. Учитывая, что на этих этапах стоимость судна определяется с погрешностью до ± 30%, в этот доверительный интервал укладывается любое техническое решение по судовому оборудованию. Можно сделать вывод о неприменимости глобальных критериев, рассчитываемых по объекту верхнего уровня, для оптимизации технических решений по судовому оборудованию.

9. Для обоснования решений по таким объектам предложено применение согласованных критериев эффективности, являющихся приложением к данной проблеме метода системного анализа. В первоисточниках эти критерии носят название локальных, чем подчеркивается, что они рассчитываются на уровне оптимизируемого объекта. Мы предлагаем использовать для них наименование согласованных критериев, поскольку к собственно локальным критериям, рассчитываемым исключительно по параметрам объекта проектирования, вводится согласующая поправка, учитывающая дифференциальные характеристики объекта верхнего иерархического уровня и позволяющая определить полный вклад проектируемого объекта в значение глобального критерия с учетом влияния данного объекта через изменение его системно-важных параметров, как прямо на сложную систему в целом, так и опосредованно через его влияния на прочие элементы сложной системы. Может быть получено аналитическое выражение для такого приращения, основанное на замене частных производных глобального критерия эффективности по системно-важным параметрам на значение дифференциала, вычисляемого в базовой точке. Устранение из рассмотрения большей части подсистем судна, не изменяющихся от применения рассматриваемого технического решения и в то же время создающих основную величину погрешности, позволяет существенно увеличить достоверность выбора решений оптимизирующих судно. Согласованный критерий обладает повышенной информативностью - комплексным свойством объективности и достоверности, позволяющим проводить оптимизацию технических решений, не обладающих требуемым уровнем значимости (величиной приращения эффективности) по сравнению с погрешностью определения глобального критерия на ранних стадиях проектирования судов.

11. Избранная для анализа совокупность представителей судового машиностроительного оборудования - судовые подъемно-транспортные машины и палубные механизмы при всем их разнообразии по существу идентичны по своей структуре, функциям и составу оборудования. Во всех них в том или ином варианте повторяется грузовая лебедка с приводом, соединительными устройствами, передачей, тормозными устройствами, грузоподъемным механизмом - барабаном, звездочкой или турачкой, тросом, шкентелем или цепью, системой блоков. Методика их проектирования в основе едина с частными вариациями относительно режима работы и диапазонов рекомендуемых значений параметров. Таким образом, разработка методики оптимизации одного типа оборудования - грузовых лебедок охватывает большую группу оборудования - кранов всех типов и назначений, буксирных устройств, рыбопромысловых механизмов, якорно-швартовных машин, лебедок всех назначений.

13. Цель проектирования состоит в определении совокупности контролируемых параметров, обеспечивающих достижение экстремума согласованного критерия эффективности. Достижение экстремума функции цели возможно только комплексное -компромиссное, характерное для каждого конкретного сочетания внешних факторов. В связи с опережающим проектированием судового оборудования оценка его оптимальных параметров производится с учетом характеристик типоразмеров судов перспективной постройки. В процессе же выбора типоразмера машины для вновь проектируемого судна оценивается эффективность существующих типоразмеров, планируется возможное изменение цены в зависимости от показателей качества оборудования, реализуемых на данном судне, и рассматриваются возможные изменения комплектации с учетом типорядов комплектующего оборудования. 1

14. Разработанные алгоритмы анализа согласованной эффективное™ реализованы в виде программного обеспечения оптимизации судового машиностроительного оборудования и систем. Математическая модель обеспечивает сравнение вариантов судового оборудования, отличающихся анализируемыми техническими решениями, с достаточной достоверностью и информативностью.

Учитывая широкий спектр номенклатуры судового машиностроительного оборудования, модель согласованной оптимизации разрабатывалась как универсальная -инвариантная к виду и типу проектируемого оборудования. Особенности должны учитываться при разработке моделей проектирования оборудования, которые, очевидно, специфичны. Вследствие сложного совокупного влияния изменения параметров судового оборудования при проектировании на эффективность их использования на судах, основным вариантом применения разработанных моделей является их использование при вариантных проработках.

19. Разработаны модели проектирования принятой для анализа номенклатуры судового машиностроительного оборудования, в том числе грузовых лебедок с электроприводом, палубных кранов общего назначения с электро-гидро приводом основных механизмов, электро-гидроприводных рулевых машин плунжерного типа.

Библиография Суслов, Валерий Федорович, диссертация по теме Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

1. Абдрашитов Р.Т., Колосов В.Г., Тукель И.Л. Теория и практика регионального инжиниринга. СПб, Политехника, 1996.

2. Акофф Р., Сасиени М. Основы исследования операций. М., Мир, 1971.

3. Алабужев П.М., Геронимус В.Б., Минкевич Л. Г., Шеховцов Б.А. Теория подобия и размерностей. Моделирование. М., Высшая школа, 1968.

4. АльтшульА.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М., Изд-во лит-ры по строительству, 1965.

5. Бавыкин Г.В. Реновация морской техники. Энциклопедия транспорта, 2000г.

6. Балин В.М., Денисов А.И. Лебедки швартовные автоматические и неавтоматические (АШЛ и ШЛ)//Судостроительная промышленность. Сер. Технология и организация производства. Судовое машиностроение. Опыт проектирования и создания судовых механизмов. 1994.

7. Балицкая Е.О., Золотухина Л.А. Описание системы программ статистической обработки малого числа наблюдений. Труды ЛКИ: Автоматизация проектирования СЭУ, 1985.

8. Беляев Н.М., Уваров Е.И., Степанчук Ю.М. Пневмогидровлические системы. Расчет и проектирование. Под ред. Н.М. Беляева. М.: Высш. шк., 1988, 271 с.

9. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Р. Экспертные оценки в принятии плановых решений. М.: Экономика, 1976.

10. Блинов В. Добровольное применение и обязательное исполнение требований документов по стандартизации. // Стандарты и качество, 2003, №5.

11. Бородин Ю.Л., Рощанский В.И. О теоретических моделях динамического исследования судовых канатных дорог. Вопросы судостроения, серия "Технология и организация производства судового машиностроения", 1981,№ 26.

12. Булгаков А.А. Взлетно-посадочный комплекс авианесущего крейсера //Судостроительная промышленность. Сер. Технология и организация производства. Судовое машиностроение. Опыт проектирования и создании судовых механизмов. 1995.

13. Версан В. Сильные и слабые стороны стандартов ИСО серии 9000 новой версии: стратегия внедрения в действие// Стандарты и качество, 2001, №12.

14. ВНИИПТМаш. Расчеты крановых механизмов и деталей подъемно-транспортных машин, 1959.

15. Воронин Г.П. Качество одна из составляющих развития экономики. //Стандарты и качество. 2000, № 1

16. Гандлевский М.М. Силовой следящий привод. М.: Оборонгиз, 1997, 198 с.

17. Гличев А.В. Основы управления качеством продукции. М: РИА «Стандарты и качество», 2001.

18. ГОСТ 27.301-83. Прогнозирование надежности изделий при проектировании. М.: Издательство стандартов, 1983.

19. Гурович А.Н., Родионов А.А., Асиновский В.И., Гринберг Д.А. Судовые устройства. Справочник. Изд. Судостроение, 1987.

20. Даниловский А.Г. Оптимизация агрегатированной СЭУ на основе САПР. Труды НТО СП. Вып.482, 1989г.

21. Даниловский А.Г. Основные принципы разработки и практической реализации режима диалога "ПРОЕКТАНТ ЭВМ" при внешнем проектировании СЭУ. Труды ЛКИ: Автоматизация проектирования СЭУ, 1982.

22. Даниловский А.Г., Андронов ДА., Орлов М.А. Проектирование расположений СЭУ морских транспортных судов. Монография. Изд. С-ПбГУВК, 2004 г.

23. Даниловский А.Г., Козлов В.К Алгоритм блока массогабаритных характеристик дизельных энергетических установок транспортных судов для модели внешнего проектирования СЭУ. Труды ЛКИ: Автоматизация проектирования СЭУ, 1982.

24. Даниловский А.Г.,Иванов Д.С. О сравнении вариантов технических решений, оцениваемых распределениями //Автоматизация проектирования судовых энергетических установок: Сб.научн.тр./ЛКИ. Л., 1985.

25. Даниловский А.Г.,Иванов Д.С.,Архипов Г.А. Критерии для согласованной оптимизации судовых энергетических установок, систем и оборудования//Совершенствование конструкций судовых систем: Сб. научн.тр./ЛКИ. Л.,1987.С.88-95.

26. Деминг Э. Выход из кризиса. Тверь: «Альба», 1994.

27. Демченко С.В. Учет неопределенности исходных данных при внешнем проектировании энергетической установки судна с использованием имитационной модели. Труды ЛКИ: Автоматизация проектирования СЭУ, 1985, с. 58-65.

28. Джуран Дж. М. Качество и прибыль. В Сб. Качество, торговля, экономика. -М.: Изд-во стандартов, 1970.

29. Долгачев Ф.М., Лейко B.C. Основы гидравлики и гидроприводов. М.: Стройиздат, 1981, 184 с.

30. ИСО 9001:2000 Новый подход к созданию менеджмента качества. - М.:РИА «Стандарты и качество», 2001.

31. Испытания устройства "Струна" для передачи грузов на ходу в море. Технический отчет ЦНИИ им. Акад. А.Н. Крылова, вып. 16674, 1974.

32. Камнев Г.Ф., Кипарский Г.Р., Балин В.М. Подъемно-транспортные машины и палубные механизмы. Учебное пособие. Л.: Судостроение, 1976.

33. Канторович Л.В. Экономический расчет наилучшего использования ресурсов. М.: Изд. АН СССР, 1959.

34. Кисилев Н.В. , Мядзель В.Н., Рассудов Л.Н. Электроприводы с распределенными параметрами. Ленинград: Судостроение, 1985, 220 с.

35. Коллектив авторов. Методические рекомендации «Разработка, внедрение исертификация систем менеджмента качества на соответствие требованиям ИСО 9001:2000 и систем41

Похожие работы

Кораблестроение
05.08.00