автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Теоретические основы и методология регулирования смещаемости грузов на морских судах

На правах рукописи

Малнкова Татьяна Егоровна

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДОЛОГИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ СМЕЩАЕМОСТИ ГРУЗОВ НА МОРСКИХ СУДАХ

05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Владивосток 20 И

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Морской государственный университет имени адмирала Г. И. Невельского»

Научный консультант: доктор технических наук, доцент

Москаленко Михаил Анатольевич

Официальные оппоненты:

Абрамов Олег Васильевич - доктор технических наук, профессор, Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, заведующий лабораторией «Управление и надежность сложных систем»

Балалаеи Александр Сергеевич - доктор технических наук, доцент. Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС), заведующий кафедрой «Технология транспортных процессов и логистика»

Сичкарёв Виктор Иванович - доктор технических наук, профессор. Новосибирская государственная академия водного транспорта, Заведующий кафедрой «Судовождение»

Ведущая организация: ОАО «Дальневосточный научно-исследовательский и конструюорско-технологический институт морского флота» ОАО «ДНИИМФ», г. Владивосток

Защита состоится «17» декабря 2014 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 223.005.01 при Морском государственном университет им. адм. Г. И. Невельского по адресу: 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50А, ауд. 241, e-mail: ofiice@ msum.ni, факс (423) 251-76-39.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Морского государственного университета им. адм. Г. И. Невельского, http://msun.ru/ru/csi_dissovet_rety

Автореферат разослан « 12 » ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Резник Александр Григорьевич

er, ':! К; ! J ПАЯ

i tKA

- 01 J

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. До сих пор в существующих технологических схемах перевозки смещающихся грузов сохраняются противоречия между высоким уровнем механизации погрузочно-разгрузочных операций и полным отсутствием механизации работ, связанных с креплением грузов и обслуживанием этих креплений в рейсе. Вопросы, связанные с совершенствованием технологий крепления, приобрели особую актуальность именно в связи с проблемой обеспечения сохранной перевозки грузов.

Продолжающиеся аварии морских судов из-за смещения грузов, особенно произошедшие в последнее время (например, гибель т/х «Рязань», т/х «Намять Меркурия», т/х «Виктор Вихарев», т/х «Вест», т/х «Синегорье» и т/х «Кастор-1»; аварии с т/х «Нижнеянск», т/х «Константин Петровский», т/х «Первомайск», т/х «Капитан Баканов», т/х «Пионер Киргизии», т/х «Пионер Славянки», т/х «Высокогорск», т/х «Green Flower», т/х «Ice Prince», т/х «Braga» и другие) свидетельствуют о том, что размещение и крепление грузов на судне не всегда выполняется экипажем достаточно квалифицированно и не в полной мере учитываются штормовые условия плавания. Критерии, определяющие эксплуатационную безопасность средств и способов крепления смещающихся |рузов, в должной мере не обоснованы: надежность крепежных устройств гарантируется только субъективными факторами, а не точностью принятых расчетных моделей. При разработке расчетных методик мало внимания уделяется математическим принципам, положенным в основу расчетов, и не учитывается особенность совместной работы элементов системы при динамических режимах нагружения.

Аварии и аварийные ситуации, связанные со смещением груза, трудно предвидеть, и во многих случаях они заканчиваются повреждениями судовых конструк-

ций и/или частичной потерей груза. Как правило, такие аварийные случаи происходят не сразу. Возникновению опасных ситуаций с устойчивым креном судна предшествует фаза смещения груза, чаще всего скрытая от визуального наблюдения. При зтом сам процесс смещения груза скоротечен. В качестве последствий аварийной ситуации возможны повреждения корпусных конструкций судна при сбросе часта груза за борт. Возникающие повреждения практически всегда недоступны для ликвидации в рейсе, что создает дополнительную проблему при обеспечении эксплуатационной безопасности морских судов. Отсюда можно сделать вывод, что решение задач, касающихся своевременного распознавания предпосылок угроз, возникающих при смещении груза, и принятие упреждающих мер по противодействию опасности, представляют интерес как с научной, так и с практической точек зрения. Эта проблема является первостепенной, комплексной и включает меры нормативного, организационного, технического и технологического характера

Весьма актуальными являются исследования, направленные на разработку методики идентификации предпосылок возникновения опасных ситуаций при перевозке смещающихся грузов, способствующей выработке мер по совершенствованию системы обеспечения технологической безопасности судна; выработку новых теоретических подходов к моделированию процессов смещаемости грузов на морских судах, а также создание новых перспективных технологий крепления грузов и методов автоматизированного выбора технологических параметров крепежных устройств в судовых условиях.

Актуальность и необходимость дальнейшего изучения обозначенной проблемы подтверждается результатами фундаментальных исследований ведущих отечественных и зарубежных ученых.

Изучению условий обеспечения иесмещаемости сыпучих грузов посвящены работы М. Е. Барановского, В. М. Быкова, Е. Ватанабэ, Ф. Джен-кинса, А. Д. Москаленко, П. Ф. Овчинникова, В. К. Рябченко, А. Скрибанти П. К. Тимофеева, Ф. Элгара и многих других авторов. Разработкой научно-обоснованных профилактических мер, обеспечивающих необходимую ос-

тойчивость судов, перевозящих сыпучий груз, занимались Н. М. Бронштейн,

A. В. Букшев, Г. В. Виланский, Ю. М. Войнаровский, В. В. Гарькавый,

B. И. Коробцов, В. В. Луговский, Л. М. Ногид, В. Г. Сизов, Ю. В. Ремез, В. П. Шестопал и другие.

Расчетная методика определения нагрузок, действующих на генеральный груз при качке судна, впервые была предложена академиком А. Н. Крыловым и уточнена академиком Ю. А. Шиманским. В дальнейшем исследованиями условий сохранной транспортировки генеральных грузов занимались В. Г. Апельсин, Г. Н. Белозеров, В. Блазиус, М. Н. Гаврилов, В. И. Гуревич, Е. Б. Карпович, В. В. Козляков, М. М. Лесков, Б. С. Максимов, А. Д. Москаленко, В. И. Снопков, В. И. Сичкарёв, Б. Л. Токарев, М. Г. Шмаков, А. С. Шпак и многие другие отечественные и зарубежные исследователи.

Проблеме безопасной перевозки лесных грузов на палубе лесовозов посвящены работы Н. В. Барабанова, Ю. Г. Рыбалкина, Н. М. Аносова, О. Е. Карповича и других исследователей. Вопросами надежности и работоспособности систем ответственного назначения на морском транспорте занимались О. В. Абрамов, А. Н. Губинский, А. Н. Розенбаум, М. А. Москаленко и другие.

Они послужили основой для построения новых моделей связных систем «смещающийся груз - спецустройство - судно» и оценке технологических параметров спецустройств для регулирования смещаемости грузов. Между тем, следует отметить, что работы этих авторов базируются на определенной системе основных положений, выявление и критическим анализ которых позволил сформулировать иные исходные положения, позволяющие более полно учитывать особенности решения проблемы обеспечения несмещаемости груза в процессе эксплуатации судна, особенно при авариях и нештатных ситуациях.

Практическая направленность исследования ориентирована на разработку нового инструментария для диагностики и автоматического ре!улиро-вапия технического состояния закрепленного груза в режиме реального времени и новых технологий крепления смещающихся грузов.

Актуальность проблемы, ее практическая значимость и недостаточная методологическая проработанность определили выбор темы диссертационной работы.

Цель н задачи исследования. Основная цель диссертационной работы состоит в том, чтобы разработать научно обоснованный инструментарий для диагностики и автоматического регулирования технического состояния закрепленного груза во время рейса и новые технологии крепления грузов с заданными характеристиками крепежных устройств.

Поставленная цель была достигнута в результате решения следующих

задач:

• осуществлен комплексный анализ сложной системы «смещающийся груз -спецустройство - судно» и разработан единый методологический подход к построению расчетных моделей для различных по своей физической природе грузов;

• разработаны методологические принципы анализа и синтеза новых технологий крепления смещающихся грузов, которые позволяют расширить предметную область исследований в технологии перевозки грузов;

• сформулирован единый методологический подход к математическому моделированию процессов регулирования технического состояния закрепленного груза;

• разработаны алгоритмы диагностики и автоматического регулирования технического состояния закрепленного груза во время рейса по новым технологиям;

• разработана общая методика планирования и проведения экспериментальных исследований со смещающимися грузами;

• разработаны аналитические методы расчета технологических параметров новых способов крепления смещающихся грузов.

Объектом исследовании является безопасность мореплавания судов, перевозящих смещающиеся грузы. В соответствии с целью и задачами диссертационной работы безопасность мореплавания рассматривается в виде

связной системы «смещающийся груз - спецустройство - судно», которая должна обеспечивать эксплуатационную безопасность судна.

Предмет исследования - методы и способы крепления смещающихся грузов, применяемые в технологии морской перевозки.

Область исследования: технологические процессы работы флота. Методы исследования. При решении поставленных задач использовались элементы системно-структурного и интерпретационного подходов, методологические аспекты теории риска и теории катастроф, отдельные положения теорий систем, графов, математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, методы решения дифференциальных уравнений и элементы численных методов, а также методики планирования многофакторного эксперимента. Эмпирические зависимости строились на основе регрессионного анализа и представлялись в безразмерном виде.

11аучная новизна состоит в том, что в диссертационном исследовании:

• выполнен системный анализ и установлены закономерности динамического взаимодействия трехсвязнои системы «транспортное средство - спецустройство - смещающийся груз»;

• предложена единая методика построения математических моделей для крепления смещающихся грузов, впервые учитывающая топологические особенности взаимодействия элементов системы;

• предложены модели регулирования смещаемости грузов, близких к состоянию абсолютно твердого тела, смещающихся грузов с дискретными распорной и безраспорной структурами;

• разработан и научно обоснован инструментарий для оценки риска и эксплуатационной безопасности судов, перевозящих смещающиеся грузы;

• впервые были применены методы теории катастроф для решения задачи определения остойчивости судна при смещении груза;

• разработана методология анализа и синтеза новых технологий крепления смещающихся грузов;

• созданы и проверены программные средства диагностики и автоматического регулирования технического состояния закрепленного груза во время рейса по новым технологиям.

Практическая ценность работы обусловлена решением актуальной научно-технической проблемы обеспечения технологической безопасности судов, перевозящих смещающиеся грузы.

Разработанные в диссертационном исследовании модели позволяют создать типовой инструментарий для диагностики и автоматического регулирования технического состояния смещающегося груза во время рейса. Используемые подходы и методики положены в основу разработки новых средств и способов крепления грузов.

Информационная база исследования:

• монографии, журнальные статьи, бюллетени, содержащие анализ аварийности, донесения капитанов судов, отчеты по НИР, материалы научных конференций и семинаров;

• официальные документы правовой базы, включающие законы РФ, указы Президента РФ, постановления и программы Правительства РФ, кодексы и конвенции международных организаций, правила и нормы Российского морского регистра судоходства.

Достоверность н обоснованность полученных результатов проведенных исследований подтверждается корректным применением научных методов решения поставленных в диссертации задач, объективностью и истинностью исходной информационной базы, широкой апробацией расчетных зависимостей и их хорошей сходимостью с экспериментальными данными.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались в практике судоходньгх компаний, а также при разработке патентной документации на новые средства и способы крепления грузов.

Апробация работы. Диссертационная работа является обобщением исследовательских и практических работ, которые автор выполняла с 1994 г. Ос-

новные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МГУ (ДВГМА) им. адм. Г. И. Невельского (1994 - 2004 гг.): на XI! научно-технической конференции «Учет особенностей дальневосточного бассейна при проектировании и модернизации судов» (Владивосток, ДВГТУ, 1995 г.); на международных конференциях ДВО Российской Академии транспорта «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 1995, 2001, 2003, 2007, 2009, 2011 и 2013 гг.), на всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2000 г.); на международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта» (С-Петербург, 2003 г.); на XV международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике» (С-Петербург, 2013), на XII всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы экономики и управления на транспорте» (Владивосток, 2014), на Международной научно-практической конференции, посвященной 91-летию со дня рождения общенационального лидера Азербайджана Гейдара Алиева (Баку, 2014). На защиту выносятся:

• определение понятия технологической безопасности и основанный на нем критериальный подход к формализации оценки эксплуатационной безопасности судна, перевозящего смещающийся груз;

• методологический аспект разработки инструментария для диагностики и автоматического регулирования технического состояния закрепленного груза;

• математические модели связной системы «смещающийся груз - спецустройство - судно», устанавливающие теоретические закономерности управления смещаемостью грузов с использованием регуляторов;

• методология анализа и синтеза технологии крепления грузов на морских судах;

• автоматизированная система диагностики и автоматического регулирования технического состояния закрепленного груза во время рейса по разработанным технологиям.

Личный вклад соискателя заключается:

• в постановке задач и разработке методики их решения;

• в разработке и обосновании математической модели идентификации предпосылок возникновения опасных ситуаций при перевозке смещающихся грузов;

• в разработке и обосновании теоретических моделей смегцаемости грузов с дискретной распорной и безраспорной структурой;

• в разработке и обосновании единой методики построения математических моделей системы «смещающийся груз - регулятор»;

• в организации, планировании и проведении исследований в экспериментальных установках;

• обработке, анализе и обобщении данных экспериментальных исследований.

Публикации. Результаты исследований, выполненных по теме диссертации, изложены в 40 научных трудах соискателя, в том числе: в 2 монографиях, 38 статьях в сборниках научных трудов, в материалах международных конференций и в журналах, из них 10 статей опубликованных в реферируемых журналах ВАК. На новые технические решения получены 2 патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений, изложенных на 320 страницах. Список литературы насчитывает 192 наименований.

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, установлены объект и предмет исследования, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость работы, определены основные защищаемые положения.

В первой главе «Причины аварийности морского флота и аналитический подход к проблеме обеспечения безопасности судов, перевозящих смещающиеся грузы» рассмотрено содержание проблем, связанных с обеспечением безопасности судов, перевозящих смещающиеся грузы. Проведен подробный анализ аварийности мирового и российского флота с акцентом на случаи, связанные со смещением грузов. Выявлены факторы, оказывающие негативное влияние на решение проблемы обеспечения эксплуатационной безопасности морских судов. Сделан вывод о необходимости выделения из общей проблематики изучения эксплуатационной безопасности судов самостоятельного предмета исследования - одной из составляющих безопасности, трактуемой в диссертации как «технологическая безопасность». При этом под технологической безопасностью понимается состояние защищенности закрепленного груза от разрушающего воздействия внешней среды, отвечающее требованиям, соответствующим заданному условию регулирования смещаемосги конкретного вида груза». В результате анализа аварийности судов получены выводы:

• для мирового флота характерно снижение показателей аварийности судов. Частота кораблекрушений на судах с классом Российского морского регистра судоходства по годам меняется незначительно и в среднем составляет 1,4 единиц на 1000 судов в год. Аварийность отечественного флота по-прежнему ниже мировой, но к настоящему времени эти показатели почти сравнялись со среднемировыми показателями;

• существуют пять основных причин гибели судов как мирового, так и отечественного флотов: посадка на мель, пожары, негерметичность корпуса, штормовые условия и столкновения. В последние годы к данному списку

причин аварий судов отечественного флота добавились «повреждения машин и механизмов», связанные со старением флота. Аварии по причине внешних факторов (штормовые условия) по-прежнему занимают лидирующее положение, и большую часть погибших судов составляют суда, перевозившие генеральные грузы;

• по сравнению с другими причинами аварийности процент аварийных происшествий, связанных со смещением груза, невелик и составляет всего 4-5 %, поэтому статистические данные по таким происшествиям попадают в раздел «остальные случаи». И в научных источниках их анализ практически не осуществляется, что является, по мнению автора, ошибочным, так как технические убытки от таких аварий достаточно велики и составляют 20 % от всех убытков. Также следует отметить, что смещение груза часто является не первопричиной, а следствием каких-то других первопричин, чаще всего внешних факторов, рассматриваемых в мировой статистике в разделе «гибель в штормовых условиях» и относящихся уже к пятерке основных причин гибели судов мирового флота;

• аварийные ситуации со смещением груза в ОАО ДВМП в большинстве случаев характеризуются комбинацией причин. Выявлено пять вариантов развития событий. При этом наибольшая доля аварий приходится на причинно-следственную связь «штормовые условия - ошибки маневрирования -и/или потеря остойчивости - смещение груза».

Анализ отечественных и зарубежных исследований позволяет подойти к выводу о необходимости разработки методологии проектирования и разработки новых технологий крепления грузов на морских судах с учетом свойств перевозимых грузов, а именно: распорная среда, безраспорная среда.

В качестве исходных предпосылок к исследованию проблемы обеспечения технологической безопасности средств и способов крепления грузов выдвинуты следующие положения.

1. Объективно существует проблема обеспечения технологической безопасности судна, определение которой еще не является общепризнанным.

2. Существует дефицит новых теоретических концепций видения, позволяющих:

• на базе нового математического аппарата сформулировагь задачи оценки технологической безопасности связной системы «судно - смещающийся груз» и построить адекватную модель, обеспечивающую предсказуемость изменения поведения этой системы в течение всего транспортного цикла;

• построить математическую модель технологической системы «смещающийся груз - спецустройство», обеспечивающую предсказуемость изменений параметров ее функционирования с учетом влияния всех факторов;

• определить измерители и критерии, характеризующие качество функционирования используемых технологических средств крепления груза;

• синтезировать программные управления на двух уровнях: стратегическом и операционном. Стратегическое управление должно быть направлено на разработку новых технологий крепления груза, а операционное - на технологические возможности выбранного способа крепления груза на судне.

По второй главе «Адаптация моделей теории катастроф для исследования технологической безопасности судов при смещении грузов» разработана математическая модель технологической безопасности судна, перевозящего смещающийся груз. Модель системы «судно - груз» (СГ-система) представлена в виде автономной системы дифференциальных уравнений, зависящих от безразмерных параметров Я и ц. Такие уравнения описывают зависимость скорости изменения некоторых величин (динамических переменных) от самих этих величин. Так, например, если задать наклонения О, судна как переменную относительно предполагаемой постоянной величины в„„ а состояние остойчивости положением его метацентра - величиной 2т относительно центра тяжести - то получим систему двух дифферен-

циальных уравнений, зависящую от четырех параметров: 0„ в„„ 2т и Численная реализация рассматриваемой системы дифференциальных уравнений показала, что при изменении параметров для некоторых критических значений Уи и Ус в соответствии с рисунком 1 происходит скачкообразно качественная перестройка фазового портрета типа бифуркационного разграничения пространства параметров системы на области с качественно различными типами динамического поведения судна в соответствии с рисунком 2.

Рисунок 1 - Расчетная схема

Область устойчивого состояния I

Область неустойчивого состояния

Рисунок 2 - Катастрофическое изменение состояний

Математическая модель СГ-системы, выраженная через приращение потенциальной функции может быть записана как

Уаь = х*/4 + X х2/2 + Г] X, где 1} = (0, - 0т)/ 0,„ - крен судна из-за смещения груза; Я = (Ус - Уо)1 Ус -взаимное положение сил веса и сил поддержания при наклонениях судна.

Исследование на экстремум потенциальной функции дает

сЬс

= х1 + Ах + 77=0;

ск2

= Зх2+Л = 0.

Выполненный анализ и геометрическое описание положений равновесия СГ-системы позволяют построить модель поведения судна в СГ-системе, рассмотрев положения равновесия с изменением (Я, //).

Математическая модель-интерпретация. Пусть СГ-снстема описывается множеством параметров (ЛГ. //, Я) и наклонения судна интерпретируются как изменение параметров этой системы на некоторой траектории, расположенной на поверхности равновесия М в соответствии с рисунком 3 или на ее проекции в пространстве управления С в соответствии с рисунком 2. Рассмотрим рисунок 3, на котором изображены траектории движения судна в плоскости относительно оси наклонения, а также потенциальные функции поведения СГ-системы.

Рисунок 3 - Модель поведения судна в СГ-системе Положение точки (Я, //) внутри бифуркационной кривой (область 1) характеризует некоторый колебательный процесс удержания судна в остойчивом положении с помощью управления силой, обеспечивающей несмещае-мость груза и компенсирующей воздействие внешнего возмущения. Причем

если точка (Я, ц) лежит на оси Я, то эти колебания симметричны относительно оси наклонения, и положение судна можно считать безопасным при условии, что кренящий момент не достигает своего максимального значения. Приближение точек (Я, Г}) к бифуркационным кривым вызывает изменение характера колебаний - увеличивается угол оси наклонения в одну сторону и соответственно уменьшается в другую. Появление асимметрии в траектории движения судна относительно оси наклонения является предвестником потенциально опасной ситуации, устойчивого крена судна на один из бортов.

При удалении от точки р внутри области i происходит увеличение амплитуды колебаний судна (например, из-за смещения груза или штормовых условий), что так же может быть причиной создания потенциально опасной ситуации.

Если положение судна характеризуется параметрами (Я, //) в области е, это означает, что судно непригодно для перевозки данного вида груза и ситуация может быть квалифицирована как устойчиво опасная.

Если точка (Я, ф совпадает с началом координат системы р (точка сборки), это состояние СГ-системы теоретически устойчиво, так как Г) =Я =0 (крен судна из-за смещения груза и взаимного положения сил веса и сил поддержания при наклонениях судна равны нулю).

Если точка (Я, ф лежит на бифуркационной кривой, то колебания системы таковы, что наклонения судна соответствуют воздействию на него наибольшего кренящего момента. При этом если появится избыток кренящего момента, который будет еще больше кренить судно, то точка (Я, //) перейдет в область неустойчивого состояния системы е и судно опрокинется. Этот предел асимметричности траектории движения судна относительно оси наклонения и характеризуется появлением неустойчивого состояния СГ-системы в виде точки перегиба потенциальной функции вместо ее максимума. Другими словами, переход от максимума потенциальной функции к точке перегиба характеризует снижение уровня технологической безопасности в связи с зарождением тенденции неуправляемого сме-

щеиия груза, что может привести к выводу положения судна из зоны / в устойчиво опасную зону е в соответствии рису »жом 3.

Расшифровка графических зависимостей однозначно определяет устойчивость системы с точки зрения внезапного приращения потенциальной энергии, что позволило выявить новые, очень важные закономерности. Прежде всего, удалось в рамках критерия бифуркации процесса, установить особый вид ветвления, когда, при Я < О система скачкообразно переходит из состояния устойчивого равновесия в неустойчивое. Из графической зависимости Я видно, что для

перевода системы в состояние равновесия необходимо понизшъ уровень значений безразмерного параметра г] до нуля или перевес™ судно в область положительных значений Я > 0, используя управление регуляторами с обратной связью до уровня ХАПрег > АП^

Наряду с этим выявлены границы областей пространства управления технологической безопасности судна в соответствии с рисунком 4 представленные на диаграмме. Указанная диаграмма может служить инструментом для оценки в координатах риска пригодности судна для перевозки данного вида груза и установления для него (судна) технологических ограничений.

Чтобы использовать эту диаграмму необходимо определять безразмерные параметры Я и I]. По этим данным из диаграммы выполняют оценку и принимают решение, руководствуясь следующими правилами. 1. Если точка с координатами (л,г/) находится в области I, то вероятность опрокидывания судна очень велика. Это объясняется тем, что в данной области пространство характеризуется сочетанием двух отрицательных факторов: значение величины наклонения в, судна больше значения постоянной величины 9,,, и появляется избыток кренящего момента. На практике при наложении этих двух факторов судно уходит из положения равновесия - происходит катастрофа. Например, опрокидывание судна или сброс груза за борт. В этом случае принимаемое решение не может быть однозначным.

2. Если точка с координатами ( J, tj) находится в области II, то значения величины наклонения в, судна приближаются к значению постоянной величины в„, и значение кренящего момента приближается к своему максимуму. Необходимо уменьшить угол крена судна, за счет сброса палубного груза за борг.

3. Если точка с координатами ( J,rf) находится в области III, то целесообразно управлять процессом смещения груза с помощью регуляторов с обратной связью.

4. Если точка с координатами (я,rf) находится в области пространства управления технологической безопасностью судна со значениями г) < - 1, то судно непригодно для перевозки груза в заданном районе плавания.

-1,0

-0,6

а)

б)

Рисунок 4 - Диаграмма управления Рисунок 5 - Потеря устойчивости технологической безопасностью судна равновесия: а - мягкая; б - жесткая

Для оценки устойчивости СГ-системы и необходимости принятия мер по предотвращению угрозы опасного смещения груза в координатах риска используется понятие мягкой и жесткой потери устойчивости динамической системы. В качестве критерия устойчивости системы принимается устано-

вившийся в СГ-системе режим, когда состояние системы во времени не изменяется. При изменении внешнего параметра СГ-система может выйти из положения равновесия по одному из описанных ниже сценариев.

1. После потери устойчивого равновесия установившимся режимом оказывается колебательный периодический режим, представленный на рисунке 5 а. Амплитуда колебаний пропорциональна квадратному корню закри-тичности (отличия параметра от критического значения, при котором равновесие теряет устойчивость). Этот вид потери устойчивости называется мягкой потерей устойчивости, так как устанавливающийся колебательный режим при малой закритичности мало отличается от состояния равновесия. В данном случае технологические параметры пневморегуляторов удовлетворяют требованиям, соответствующим заданному условию регулирования смещаемости закрепленного груза и дополнительные меры по стабилизации процесса не требуются.

2. Перед тем как установившийся режим теряет устойчивость, область притяжения этого режима становится очень малой, и всегда присутствующие случайные возмущения выбрасывают систему из этой области еще до того, как область притяжения полностью исчезает. Этот вид потери устойчивости называется жесткой потерей устойчивости. При этом система выходит из стационарного режима скачком в соответствии с рисунком 5 б и перескакивает на иной режим движения. Это может быть другим устойчивым стационарным режимом или устойчивыми колебаниями, или более сложным движением. В случае устойчивых колебаний требуются дополнительные меры по стабилизации процесса регулирования смещаемости груза за счет изменения технологических параметров пневморегуляторов.

В соответствии с рисунком 6 блок-схема алгоритма анализа и синтеза для определения надежности выбранной технологии перевозки груза, склонного к смещению, поясняет ключевые моменты предлагаемого методологического подхода к определению технологической безопасности СГ-системы.

Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма анализа и синтеза для оценки надежности выбранной технологии перевозки груза, склонного к смещению

Схема анализа включает в себя: выбор типа судна для перевозки конкретного вида груза и установления технологических ограничений для судна в координатах риска; представление динамического взаимодействия транспортного модуля и смещающегося груза в виде многосвязной механической системы, состоящей из двух подсистем (судно и груз) соединенных между собой взаимосвязью (подсистемой управления); разработку иерархической структуры функционирования элементов в системе и построение расчетной схемы для математического моделирования изучаемых процессов, математическое моделирование и диагностику процессов регулирования технического состояния закрепленного груза; планирование и проведение экспериментальных исследований.

Схема синтеза состоит: в выборе конструктивных элементов крепежных устройств и установлении их технологических параметров; использовании предложенного подхода для разработки новых технологий крепления груза.

И третьей главе «Методологические основы моделирования сме-щаемости грузов на транспорте» рассмотрены общеметодологические подходы к моделированию подвижности смещающихся грузов. Ключевым моментом авторской методологии является деление всех видов смещающихся грузов на три группы локальных моделей: безраспорная среда, дискретная распорная среда, дискретная безраспорная среда.

Грузы, близкие к состоянию абсолютно твердого тела, находятся на транспортном модуле под действием сил, не зависящих от свойств самого груза, и могут быть рассмотрены как безраспорная среда. В противоположность этому, грузы, при укладке которых на транспортном модуле образуются дискретные (составленные из отдельных элементов) структуры (штабели), могут сохранять выбранную форму на горизонтальной поверхности лишь при определенных условиях. Если распределение усилий в массиве груза от элемента к элементу происходит через точечные контакты, то дискретную

структуру следует рассматривать как распорную среду (например, сыпучий груз или штабель труб с незакрепленным основанием). Если же распределение усилий в массиве груза от элемента к элементу происходит через плоскостные контакты, при этом внутри массива груза не возникает распора, за счет которого происходит раздвигание элементов нижележащего ряда и внедрение элементов верхнего ряда в нижерасположенный ряд, то дискретную структуру следует рассматривать как безраспорную среду (например, различные штабели с прямоугольным основанием или штабель труб с закрепленным основанием).

Наиболее важным методологическим аспектом исследования является обобщение этих локальных моделей в глобальную дискретную модель всех смещающихся грузов, состоящую из жестких тел, связанных между собой упругими элементами, допускающими некоторое перемещение тел относительно друг друга, граничными зонами перемещений которых является распорная и безраспорная фазы смещения грузов. Такие системы полностью определяются заданием координат конечного числа тел, составляющих систему, связанных между собой упругими и диссипативными элементами. Поэтому любая система, моделирующая процесс смещения груза при произвольных внешних воздействиях, может рассматриваться как упругая система с конечным числом степеней свободы.

На основе этой глобальной модели были получены расчетные схемы технических систем с учетом свойств их дискретной структуры (распорная или безраспорная среда). При выборе расчетной схемы была выполнена идеализация свойств технической системы, ее упрощение и схематизация для максимальной простоты, но с условием того, что интересующая в исследовании информация не теряется. При построении расчетной схемы были использованы элементы: масса, упругий и диссипативный элементы.

Для иллюстрации алгоритма перехода от дискретной модели к построению математической модели были выбраны в качестве примера три варианта расчетных схем в соответствии с рисунком 7.

Я'

а) безраспорная среда (атомобиль)

и*

К,

К,

М,

3 в,

м.

Л ¡X

в2

б) дискретная распорная среда

в) дискретная безраспорная среда

Рисунок 7 - Теоретические модели смещающихся грузов

Разработанные единообразные теоретические модели смещающихся грузов позволяют легко переходить к аналитическому описанию процессов, происходящих в связной системе «транспортный модуль - смещающийся груз - регулятор». Следует отметить, что при моделировании подсистемы «регулятор» возникает необходимость учитывать различные конструктивные особенности существующих пневморегуляторов, а также различия в способах регулирования смещения для различных грузов. Для изучения этого вопроса была выполнена полная (для любых типов грузов, с учетом новых разработок) классификация средств и способов регулирования смещающихся грузов с помощью пневморе!'уляторов. В результате выполненной кпассифи-

кации были построены расчетные схемы для пневморегуляторов с учетом принципа гашения энергии и регулирования жесткости крепления.

Вторым важным методологическим аспектом исследования, основанным на обобщении локальных моделей в глобальную дискретную модель, является обоснование возможности использования теории линейных графов, как единого математического аппарата, позволяющего описать все многообразие рассматриваемых систем. Выбор именно этого математического аппарата объясняется тем, что он позволяет формализовать процесс моделирования и сделать его не зависящим от физического содержания задачи, а также сократить до минимума расчетные операции (разбиение системы на компоненты с известным полюсным представлением; объединение компонент в блоки; получение полюсного представления блоков; получение уравнений системы) и изучить топологическую структуру системы.

В четвертой главе «Теоретические основы новых технологий регулирования смещаемости грузов» представлена авторская методика разработки математических моделей движения трехсвязной системы «транспортное средство - регулятор - смещающийся груз» с учетом свойств дискретной структуры (распорная или безраспорная среда) и методология определения эксплуатационных параметров пневморегуляторов при динамическом взаимодействии последних со смещающимся грузом для любого возможного внешнего воздействия на систему.

Построение математической модели системы «смещающийся груз -спецустройство» выполняют в несколько этапов. Вначале выбирают физическую модель системы в соответствии с рисунком 7. Затем, на основании расчетной схемы физической модели строят механическую цепь. Механические цепи, взятые за основу при моделировании, представлены на рисунках 8, 9 и 10. От механических цепей переходят к построению графов, которые изображают связь между характеристиками компонент, составляющих систему, и характеристиками системы в целом.

Рисунок 8 - Механическая цепь и граф системы «безраспорная среда - спецустройство»

п

□

л а.йй

м2

,, Л,

7——7—7—7

м3

.к,

а

Фбз

-7—7~

Рисунок 9 - Механическая цепь и граф системы «распорная среда - спецустройство»

"9?

Рисунок 10 - Механическая цепь и |раф системы «автомобиль - спецустройство»

От графического задания математической модели переходят к матричному описанию графов в виде двух матриц (фундаментальных контуров и отсечений), описывающих характеристики системы в цепом, а также выписывают полюсные уравнения, отражающие связь между характеристиками компонент, составляющих систему.

Из полюсных уравнений и матриц отсечений, построенных для каждого вида грузов, получают следующие математические модели: а) распорная среда - спецустройство:

+ + + о,

+ (/Ц ++ (*-,+*-,) у,=0/

б) беэраспорная среда - спецустройство: + + ^ + Кгуг + Л^ ^ + К1Уг - М ^ = Мд!..

/Ц + К,у, + (/Ц + М, У /С, + А^у, + (Л/, + + +

07 /У2 и аг

Л/

+ + (Л/| + + К,у, + + + Л*, + +

/V /У21/

+ (Л/, + м2 + = о.

/У2

+ (Л/, +Л/, + + + =0.

в) автомобиль - спецустройство:

В ^ = Мд!±,

2 сН -КгУг=-Мд±

Разработанные аналитические модели позволяют проанализировать работу спецустройства на всех возможных режимах нагружения, определить его оптимальные параметры, оценить необходимость введения в устройство того или иного элемента и тем самым ответить на вопрос: какой должна быть конструкция спецустройства для крепления каждого из перечисленных грузов.

На основе разработанных аналитических моделей с использованием численных методов, а именно метода Рунге - Кутта, был разработан моделирующий алгоритм, описывающий преобразование входных параметров в выходные. В результате была получена алгоритмическая модель, где входные воздействия могут быть заданы в виде произвольных детерминированных функций или случайных процессов. Для реализации алгоритмической модели была создана автоматизированная система (АС) «Шторм», позволяющая:

моделировать поведение закрепленного груза;

определять, представляет ли груз опасность для транспортировки его морем; оценить необходимости и возможности закрепления предложенного к перевозке груза;

проанализировать, какая конкретно необходима конструкция спецустройства для закрепления конкретного груза;

проанализировать, в каком направлении необходимо совершенствовать уже созданные спецустройства для крепления грузов и какими свойствами должны обладать принципиально новые конструкции спецустройств.

АС «Шторм» состоит из двух автономных расчетных частей: подпрограмм «САКВОАТ» и «Технология», которые могут работать как независимо друг от друга, так и совместно. Общая схема функционирования предлагаемой АС представлена в виде связного ориентированного графа в соответствии с рисунком 11, а на рисунке 12 представлена укрупненная блок-схема функционирования подпрограммы «Технология».

Рисунок 11 - Схема функционирования АС «Шторм»

Технология

Тестирование типовой математической модели

Варианты конструктивных элементов устройства

Растяжимость материала

X

Элементы механического демпфировании

Математическая модель закрепленного груза

Ввод в системы типовой модели

4*

1 —** 1 1 База данных математических моделей База данных по характеристикам перевозимых грузов

а ;

Численная реализация математических моделей

Выбор исследуемого груза

I

Результаты расчетов

I

Экспериментальные данные

Тестирование и сопоставление результатов с экспериментами

Вывод о целесообразности использования выбранной группы моделей

Разработка технологий крепления груза 1

Численна» реализация математических моделей закрепленного груза 1

Сопоставление между собой результатов расчета

Получение рекомендации о конструкции и параметрах спсцусгройства

Рисунок 12- Блок-схема функционирования подпрограммы «Технология»

Разработка новых технологий крепления грузов и как следствие отладка компьютерной программы, выполнялись в диссертационном исследовании для следующих опасных по смещению грузов: автомобиль, штабель труб и сыпучий груз. В дальнейшем АС может быть использована для инженерных расчетов по созданию новых технологий крепления других смещающихся грузов и определению технологических и эксплуатационных параметров используемых для них спецустройств. Так, например, основные положения данного исследования нашли свое применение в диссертационном исследовании, выполненном Н. М. Аносовым, при разработке новой технологии крепления штабеля пиломатериалов на палубе судна.

В пятой главе «Методологические основы экспериментальных исследований функционирования компенсационных пневморегуляторов» выполнена адаптация теории планирования эксперимента для исследования функционирования спецустройств и проверки построенных математических моделей. Планирование эксперимента позволяет резко повысить эффективность проводимых исследований.

В основу выбора метода рандомизации и математической модели эксперимента в авторской методике заложено деление смещающихся грузов по их физическим свойствам: безраспорная среда, дискретная распорная среда, дискретная безраспорная среда, а также количество изменяемых факторов. В качестве примера распорной дискретной среды при постановке эксперимента был выбран сыпучий груз. Аналогом безраспорной дискретной среды послужил штабель труб с закрепленным основанием. В качестве безраспорной среды - модель автомобиля.

Для постановки эксперимента по регулированию смещаемости колесной техники использовались: модель автомобиля на четырех опорах в виде пружин, пневморегулятор, экран, манометр для измерения давления в пнев-мооболочке и грузы. Показания манометра и колебания модели автомобиля записывались на видеокамеру частотой 24 кадра в секунду. (Технология ис-

пользования в судовых условиях пневморегуляторов для крепления автомобилей проверялась на т/х «Чажма» и т/х «Капитан Креме» (2000 год)).

В процессе эксперимента изучалось влияние одного параметра, а именно величины давления в пневморегуляторе на скорость гашения колебаний в системе. Поэтому эксперимент проводился как однофакторный полностью рандомизированный эксперимент с моделью

и • ъ е,р

где /л — фиксированная постоянная, ошибки;

г,у - независимые, нормально распределенные случайные величины с нулевым средним и одинаковой дисперсией;

на 7} накладывается допущение - они являются фиксированными постоянными: £7', =£0|,-л)=О.

/1 1 1

На основании результатов экспериментальных исследований был сделан вывод об эффективности работы пневморегулятора в качестве судового средства гашения колебаний автомобиля. При сравнительном анализе результатов экспериментальных исследований выяснили, что с увеличением давления в пневморегуляторе время колебания системы уменьшается.

При изучении регулирования смещаемости труб большого диаметра основная задача эмпирического исследования заключалась в изучении закономерностей развития деформации штабеля труб большого диаметра, а также исследовались зависимости величины давления в пневморегуляторе от числа труб, перекрываемых им. Предполагается, что количество труб, перекрытых регулятором, влияет на величину избыточного давления в нем. (Технология использования в судовых условиях пневморегуляторов проверялась на т/х «А. Твардовский» (2000 год)).

Эксперимент ставился на стенде с подвижной платформой, оборудованном измерительным устройством для фиксирования углов наклона платформы. Для опытов использовались трубы длиной 50 см и

диаметром 5 см. Из них формировался штабель, внутри которого располагался пневморегулятор. Полученный штабель обвязывался двумя тросами, моделирующими найтовы. В пневморегулятор подавался воздух под давлением. Подвижная платформа стенда отклонялась на различные углы, при этом фиксировался угол наклона, при котором происходила деформация штабеля. В результате экспериментального исследования установлено, что с увеличением давления в пневморегуляторе деформация штабеля происходит при большем угле наклона платформы. Это подтверждает факт возможности управления параметрами пневморегуляторе, используемого для крепления штабеля труб. Основная цель экспериментальных исследований заключалась в определении формоизменений пневморегулятора в зависимости от величины избыточного давления при креплении штабеля труб.

В процессе проведения эксперимента со штабелем труб был выполнен сравнительный анализ эффективности использования математических моделей однофакторного и двухфакгорного рандомизированного эксперимента. Результаты выполненных экспериментов совпали и представлены графически в безразмерном виде в соответствии с рисунком 13. Однако следует отметить, что трудоемкость проведения эксперимента и временные затраты на анализ в постановке эксперимента как двухфакгорного ниже, чем в первом случае. Этот факт позволяет сделать вывод, что для безраспорной дискретной среды необходимо планировать и анализировать эксперимент в математической постановке двухфакгорного рандомизированного эксперимента:

при условии, что план эксперимента является полностью рандомизированным. В этой модели верны следующие предположения: ¡Л - фиксированная постоянная, ошибки е,у - независимые, нормально распределенные случайные величины с нулевым средним и одинаковой дисперсией.

Для распорной среды (сыпучего груза) эксперимент ставился в лотке размерами 1.8x2.0x1.2 м, в котором реализована плоская по деформациям задача нагружения грунтовой среды, расположенной вокруг расширяющейся полости. Расширение достигалось приложением давления внутри полости, возрастающего до 0.5 МПа. Указанный верхний предел нагружения всей квазиравновесной области напряженного состояния, завершающейся течением грунта.

Для опытов использовался сухой песок средней плотности. Песок укладывался послойной отсыпкой с высоты 0,5 - 0,6 м. Параллельно закладывалась контрольно-измерительная аппаратура. Основная цель экспериментальных исследований заключалась в определении формоизменений пневмо-регулятора в зависимости от величины избыточного давления.

Для проведения опытов была выбрана модель двухфакторного эксперимента с расщепленными делянками:

х,]к = ц + я, + р1 + яр, + гк + яг1к + р^к +ш>2ик.

Анализ полученных экспериментальных данных проводился методами двухфакторного дисперсионного анализа.

Обосновать этот выбор можно следующим образом. Если бы эксперимент проводился по полностью рандомизированному плану, то из пяти значений избыточного давления необходимо было бы выбрать одно значение случайным образом и создать его в ппевморегуляторе. Провести эксперимент с выбранными условиями, получить результат эксперимента и затем снова выбирать значение избыточного давления случайным образом, при этом всякий раз необходимо приводить лоток в первоначальное состояние (состояние до проведения эксперимента). Весь процесс необходимо повторять до тех пор, пока не будут накоплены все результаты. Как видно из описания эксперимента, полная рандомизация нецелесообразна и сопряжена с очень большими затратами. Избежать возникшей проблемы можно, если последовательно переходить от одного значения избыточного давления в пневморегуляторе к дру-

гому, что более рационально с практической точки зрения. При таком ограничении, налагаемом на полную рандомизацию, принято использовать план с расщепленными делянками. Результаты экспериментов представлены графически в безразмерном виде в соответствии с рисунком 14.

Рисунок 13 - Расчётный график для оп- Рисунок 14 - Форма изменения пневморегу-ределения давления в пневморегуляторе: лятора в зависимости от величины избы-2п - число труб, которое перекрывает точного давления воздуха.

орегулятор; /;, ! - относительные значения давления в пневморегуляторе и натяжения найтовых

1 -р= 1,66* 103; 2 - р = 2,50» 103, 3 - р = 3,32* 103; 4 - р = 4,15* 103

В результате проведенного исследования было сделано заключение:

• для безраспорной дискретной среды необходимо планировать эксперимент как двухфакторный рандомизированный;

• для распорной дискретной среды невозможна полная рандомизация условий эксперимента, и необходимо использовать математическую модель двухфакгорного эксперимента с расщепленными делянками;

• для безраспорной среды необходимо планировать эксперимент как од-нофакторный рандомизированный.

Сравнительный анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований показал достаточную точность аналитических зависимо-

стей и их пригодности для выполнения инженерных расчетов. На основании полученных данных была окончательно разработана методология анализа и синтеза новых технологий крепления смещающихся грузов, а также выработаны принципы регулирования смещаемости грузов по новым технологиям.

В результате выполненного комплексного исследования были разработаны новые технологии крепления сыпучих грузов в частично или полностью заполненном отсеке судна, штабеля труб и автомобиля на палубе судна.

В шестой главе «Разработка новых технологий регулирования смещаемости грузов» представлен новый подход к решению задачи повышения эффективности морской перевозки смещающихся грузов. В результате применения предлагаемых технологий увеличивается грузовместимость судна, снижаются трудоемкость и материальные затраты как в процессе крепления груза, так и при обслуживании этих креплений во время транспортировки, повышается сохранность и безопасность закрепленного груза. В совокупности эти преимущества повышают конкурентоспособность судна на рынке морских перевозок.

Основным исходным положением при разработке новых технологий, рассматриваемых в работе, является регулирование смещаемости грузов (колесной техники, штабеля труб большого диаметра и сыпучего груза) за счет размещения под определенной массой груза (или части груза) пневморегуляторов. При этом избыточное давление воздуха внутри пневморегулятора должно удовлетворять определенным требованиям, соответствующим заданному условию регулирования смещаемости определенного вида груза. Пневматические регуляторы могут использоваться для регулирования смещающегося груза при температуре окружающей среды, изменяющейся от + 50 до - 30 ° С.

Технологии крепления штабеля труб. Использование: складирование труб, транспортирование их штабеля. Технический результат: надежное безопасное крепление штабеля, снижение затрат на прокладочный материал, исключение физического труда обслуживания при перевозке.

Технология постановки пневморегулятора включает следующие операции: частичное формирование штабеля, укладка пневморегулятора на частично сформированный штабель, укладка последнего ряда труб, заводка найтовов, хранение.

При использовании пневморегулятора для крепления штабеля труб технологические операции выполняют в следующей последовательности. Укладывают трубы на основание, формируют трапециидальный штабель и фиксируют его посредством прокладок, пиевморегуляторов и найтовов. Формирование штабеля ведут в два этапа. На первом - укладывают второй и последующие, исключая последний, ряды труб, укладывая по одной трубе в межгрубные гнезда нижележащего ряда, оставляя пустыми крайние боковые гнезда каждого укладываемого ряда. Перед укладкой последнего ряда на поверхность частично сформированного штабеля, поперек него, по всему его периметру укладывают пневмороулягоры. На втором этапе укладывают трубы в пустые гнезда боковых сторон штабеля, а затем укладывают все трубы верхнего ряда, обтягивают штабель найтовами и подают в пневморегуля-торы сжатый воздух. Пневморегуляторы укладывают на штабеле в местах установки найтовов. При этом достигается снижение затрат на подготовку и обслуживание перевозок, надежность и безопасность крепления.

Технология крепления колесной техники. Использование: перевозка колесной техники на палубе судна. Технический результат: надежное безопасное крепление автомобиля, снижение затрат на прокладочный материал, исключение физического труда обслуживания при перевозке. Крепление осуществляют пневморегулятором амортизационного типа. Технология постановки пневморегулятора включает следующие операции: укладка пневморегулятора на штатное место расположения автомобиля согласно грузовому плану, погрузка автомобиля, закрепление пневморегулятора, хранение.

Крепление автомобиля выполняют в 3 этапа. На первом - между колесами автомобиля по всей его длине укладывают пневморегулятор и с помощью гибких строплент-ремней закрепляют и подвешивают к кузову автомобиля. На втором этапе после установки автомобиля на штатное место в пневморегулятор подают сжатый воздух от судовой системы. С отрывом колес автомобиля от палубы подачу воздуха прекращают. На третьем этапе давление в пневморегуляторе снижают до тех пор, пока колеса автомобиля не коснутся палубы. На этом этапе процесс крепления автомобиля заканчивается. При этом происходит снижение затрат на подготовку и обслуживание перевозок, надежность и безопасность крепления.

Технология креплении сыпучего груза. Использование: транспортировка сыпучего груза в частично или полностью заполненном отсеке судна. Технический результат: надежное безопасное крепление сыпучего груза, снижение затрат на прокладочный материал, исключение физического труда обслуживания при перевозке. Технология постановки пневмоустройства для регулирования смещения сыпучего груза, независимо от способа заполнения отсека, включает следующие операции: зачистка трюма перед погрузкой, частичная засыпка груза в трюм, уплотнение груза, подготовка к постановке пневморегулятора, укладка пневморегулятора на поверхность сыпучего груза, засыпка оставшегося груза, приведение регуляторов в рабочее состояние, демонтаж и хранение.

Крепление осуществляют в три этапа с использованием пневморегулятора амортизационного типа. На поверхность частично засыпанного в трюм груза укладывают пневморегулятор амортизационного типа. Фиксируют стропами на определенном уровне. Присоединяют пневморегулятор к судовой системе сжатого воздуха. Засыпают оставшийся сыпучий груз, уплотняя его. При засыпке груза, образуется свободная поверхность. В пневморегулятор через клапан подают сжатый воздух от судовой системы. Наличие на системе воздухонаполнения регулятора предохранительно-сигнальных эле-

ментов обеспечивает возможность автоматического контроля полноты их наполнения. На первом этапе воздух заполняет полости пневморегулятора. С увеличением давления воздуха сыпучий груз уплотняется. При крене судна на борт, воздух из полости пневморегулятора поднятого борта перекачивается в полость пневморегулятора опущенного борта. Давление воздуха в полости поднятого борта уменьшается, сыпучий груз оседает, образуя на свободной поверхности впадину. Одновременно давление воздуха в полости опущенного борта увеличивается, сыпучий груз поднимается, образуя на свободной поверхности бугор, предотвращающий пересыпание груза. При наклонении судна на противоположный борт давление воздуха в пневморе-гуляторе изменяется в обратном порядке.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации рассмотрена проблема обеспечения безопасности судов, перевозящих смещающийся груз. В результате исследования этой проблемы установлено следующее.

1. Анализ статистических данных аварийности показал, что основными причинами аварий, происходящих со смещением груза, является последовательность ряда факторов: штормовые условия, потеря остойчивости, ошибки маневрирования, человеческий фактор. Процент таких аварий невелик, но экономические убытки от повреждения судна и груза или гибели судна достаточно велики.

2. Необходимо выделить в качестве самостоятельного предмета исследования «технологическую безопасность средств и способов крепления грузов на судне». При этом «технологическая безопасность» трактуется как состояние защищенности закрепленного |руза от разрушающего воздействия внешней среды, отвечающее требованиям, соответствующим заданному условию регулирования смещаемости конкретного вида груза.

3. Предложен методологический подход, позволяющий:

• формализовать задачи диагностики и автоматического регулирования технического состояния закрепленного груза исходя из понятия технической безопасности;

• построить идентификационную модель, обеспечивающую предсказуемость изменения параметров функционирования системы с учетом влияния факторов, усиливающих или снижающих этот закономерный процесс;

• установить критерии, определяющие опасные состояния закрепленного груза;

• формализовать методологические подходы к построению математических моделей связной системы «смещающийся груз - спецустройство», учитывающие топологические особенности взаимодействия элементов системы;

• синтезировать на оперативном уровне программное управление, определяющее техническое состояние закрепленного груза в режиме реального времени.

4. Исследованы и экспериментально проверены модели, построенные на базе нового математического аппарата - теории катастроф и теории графов.

5. Практическое использование результатов исследования технологической безопасности судов позволяет:

• рационально обосновать выбор технологической схемы крепления для конкретного груза;

• разработать систему регулирования смещаемости грузов, позволяющую оперативно контролировать движение груза в режиме реального времени в рейсе;

• объективно оценивать существующие технологические схемы крепления грузов и при необходимости разрабатывать новые.

6. Определена методология разработки новой научно обоснованной технологии крепления грузов с использованием регуляторов.

7. По результатам теоретических и экспериментальных исследований новой технологии регулирования смещающегося груза:

• разработана типовая методика определения технологических параметров спецустройств для всех встречающихся на практике случаев;

• разработаны новые типовые технологии для крепления смещающегося груза;

• предложены новые технологии крепления штабеля труб большого диаметра и штабеля пиломатериалов. На данные способы оформлены патенты.

Список трудов автора отражающих основное содержание диссертации

Монографии

1. Маликова, Т. Е. Теоретические основы регулирования смещаемости грузов на морских судах / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко, А. С. Шпак. -Владивосток: Мор. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2004. - 106 с. [13,25 усл. печ. л.]

2. Маликова, Т. Е. Методологические основы разработки новых технологий крепления смещающихся грузов на морских судах / Т. Е. Маликова. -Владивосток: Мор. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2013. - 191 с.

Отдельные выпуски

Маликова, Т. Е. Разработка аналитических методов расчета новых технологий крепления грузов с использованием пневмооболочечных устройств : ав-тореф. дис. ... канд. тех. наук: / Маликова Татьяна Егоровна. - Владивосток: ДВГМА им. адм. Г. И. Невельского, 2001. - 29 с.

Статьи в сборниках научных трудов и материалах конференций

1. Маликова Т. Е. Классификация пневмооболочечных устройств для крепления грузов (ПКГ) / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко, А. С. Шпак // Проектирование и расчет конструкций из мягких оболочек. - Владивосток: ДВГМА, 1994. - С. 27-34.

2. Мапикова Т. Е. Разработка математических моделей системы «автомобиль - спецустройство» при произвольных внешних воздействиях / Т. Е. Мапикова, А. Д. Москаленко, А. С. Шпак // Проектирование и расчет конструкций из мягких оболочек. - Владивосток: ДВГМА, 1994. - С. 99-105.

3. Мапикова Т. Е. К построению программного движения связных систем «смещающийся груз - пневмооболочка - судно» : тез. докл. / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко, А. С. Шпак // Десятая дальневосточная конф. по мягким оболочкам. - Владивосток: ДВГМА, 1995. - С. 3.

4. Маликова Т. Е. Использование теории графов при разработке математической модели системы крепления транспортного средства на палубе судна: тез. докл. / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко //Десятая дальневосточная конф. по мягким оболочкам. - Владивосток: ДВГМА, 1995. - С. 3-7.

5. Маликова Т. £ Некоторые результаты численной реализации математической модели системы крепления транспортного средства на палубе судна при произвольных внешних воздействиях: тез. докл. / Т. Е. Маликова //Десятая дальневосточная конф. по мягким оболочкам. - Владивосток: ДВГМА, 1995. - С. 9.

6. Маликова Т. Е. Повышение мореходных качеств судов с горизонтальной погрузкой в случае возникновения аварийной ситуации : тез. докл. / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко, В. Г. Минеев // Двенадцатая научно-техническая конф. «Учет особенностей дальневосточного бассейна при проектировании и модернизации судов». - Владивосток: ДВГТУ, 1995. -С. 54-55.

7. Маликова Т. Е. Основные результаты расчета системы крепления транспортного средства на палубе судна при произвольных внешних воздействиях: тез. докл. / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко // Первая дальневосточная научно-практическая конф. «Проблемы транспорта Дальнего Востока». -Владивосток: ДВГМА, 1995. - С. 12 .

8. Маликова Т. Е. Использование теории графов при разработке математической модели системы крепления штабеля труб большого диаметра на палубе судна / Т. Е. Маликова // Сборник докладов 48-й молодежной научно-технической

конференции «Творческая молодежь - интеллектуальный потенциал России». -Владивосток: ДВГМА, 2000. -С. 123-126.

9. Маликова Т. Е. Организация автоматизированного проектирования новых средств крепления смещающихся грузов на палубе судна с использованием персонального компьютера / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий». -Улан-Удэ, 2000. - С. 35-37.

10. Маликова Т. Е Анализ численных результатов исследования регулирования смещаемости колесной техники с использованием пневмооболочек / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко, А. С. Шпак // Мягкооболочечные конструкции. - Владивосток: ДВГМА, 2001. - С 46-48.

11. Маликова Т. Е. Совершенствование способов крепления опабеля труб на палубе судна / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко, А. С. Шпак // Материалы четвертой дальневосточной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока». - Владивосток: ДВГМА, 2001.-С.ЗЗ-Э7.

12. Маликова Т. Е Разработка математической модели системы «сыпучий груз - спецустройство» при произвольных внешних воздействиях / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко, А. С. Шпак // Вестник Морского государственного ун-та. Проектирование и расчеты конструкций из мягких оболочек. - Владивосток: Мор. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2003. -С. 39-41.

13. Маликова Т. Е. Совершенствование способов крепления сыпучих грузов при их перевозке морем / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко, А. С. Шпак // Вестник Морского государственного ун-та. Проектирование и расчеты конструкций из мягких оболочек - Владивосток: Мор. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2003. - С. 46-47.

14. Маликова Т. Е. Методика расчета технологических параметров средств крепления смещающихся грузов на основе компенсационных пневмооболочек / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко, А. С. Шпак // Вестник Морского

государственного ун-та. Проектирование и расчеты конструкций из мягких оболочек. - Владивосток: Мор. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2003. - С. 30-33.

15. Маликова Т. Е. Экспериментальные исследования функционирования компенсационных пневмооболочечных устройств для крепления смещающихся грузов / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко, А. С. Шпак // Вестник Морского государственного ун-та. Проектирование и расчеты конструкций из мягких оболочек. - Владивосток: Мор. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского, 2003. - С. 12 15.

16. Маликова Т. Е. Пневмотехнология обеспечения сохранной и безопасной перевозки автомобилей на палубе судна / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко, А. В. Степанец //' Безопасность водного транспорта: труды международной научно-практической конференции. В 4 т. Т. 4. -СПб.: ИИЦ СПГУВК, 2003. - С. 93-96.

17. Маликова Т. Е. Проблема старения флота и выработка оптимальных решений по вопросам замены судов / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко // Материалы пятой дальневосточной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока». - Владивосток: ДВО PAT, 2003.-С. 194-199.

18. Маликова Т. Е. Построение инфологической модели базы данных для судов Дальневосточного морского пароходства / Т. Е. Маликова, А. Д. Москаленко // Проблемы транспорта Дальнего Востока: пленарные доклады седьмой международной научно-практической конференции, 35 октября 2007 г. - Владивосток: ДВО PAT, 2007. - С. 32-33.

19. Маликова Т. Е. Расчет прочности элементов крепления штабеля пиломатериалов, сформированного из укрупненных грузовых единиц / Т. Е. Маликова, Н. М. Аносов // Проблемы транспорта Дальнего Востока: доклады девятой международной научно-практической конференции, 57 октября 2011 г. - Владивосток, Россия. - Владивосток: ДВО PAT, 2011. -С 190-191.

20. Маликова Т. Е. Анализ существующих методик расчета крепления палубных лесных грузов / Т. Е. Маликова, Н. М. Аносов П Проблемы транспорта Дальнего Востока: доклады девятой международной научно-практической конференции, 5-7 октября 2011 г., Владивосток, Россия. - Владивосток: ДВО PAT, 2011. -С. 68-70.

21. Маликова Т. Е. Организация автоматизированного проектирования новых средств крепления штабеля пакетированного груза на палубе судна / Т. Е. Маликова, Н. М. Аносов // Высокие технологии, исследования, финансы: сборник статей пятнадцатой международной научно-практической конференции «Фундамешнльные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике», 25 - 26 апреля 2013 года, Санкг-11егербург,Россия,-СПб.: Изд-во,2013.-Т. 1.-С. 190-192.

22. Маликова Т. Е Математическая модель смещающихся грузов с дискретной распорной структурой / Т. Е. Маликова // Проблемы транспорта Дальнего Востока. Доклады десятой юбилейной международной научно-практической конференции, 2—4 октября 2013 г., Владивосток, Россия. -Владивосток: ДВО PAT, 2013. - С. 59-60.

23. Маликова Т. Е Адаптация моделей теории катастроф для исследования остойчивости судов при смещении грузов / Т. Е. Маликова, М А. Москаленко // Проблемы транспорта Дальнего Востока Пленарные доклады десятой юбилейной международной научно-практической конференции, 2-4 октября 2013 г, Владивосток, Россия. -Владивосток: ДВО PAT,2013. -С. 217-218.

24. Маликова Т. Е. Анализ причинно-следственных связей, повлекших за собой аварии со смещением груза / Т. Е. Маликова // Двенадцатая всероссийская межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы экономики и управления на транспорте», 23 мая 2014 г., Владивосток, Россия. - Владивосток: МГУ им. дом. Г. И. Невельского, 2014. - С. 13-17.

25. Malikova Т. Е. Improving ship security when carrying large diameter tubes on ship's deck / Т. E. Malikova, A. Yu. Strelkov // Международная научно-практическая конференция, посвященная 91-летию со дня рождения общена-

ционалъного лидера Азербайджана Гейдара Алиева, 6-7 мая 2014 г. - Баку Азербайджанская государственная морская академия, 2014. - С. 55-60.

Патенты

1. Пат. 2241632 Российская Федерация, МПК7 В 63 В 25/24. Способ крепления штабеля труб / Москаленко А. Д., Маликова Т. Е., Шпак А. С.; заявитель и патентообладатель Мор. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского. - № 2000130744; заявл. 07.12.00; опубл. Бюл. «Изобретения. Полезные модели»: М, 2004. - С. 849-850.

2. Решение о выдаче патента на изобретение. Способ формирования и крепления штабеля пакетированных материалов с прямоугольным основанием на транспортном средстве (варианты) / Аносов Н. М., Маликова Т. Е., Огай А. С., Куваев Е. Д., Акмайкин Д. А.; заявитель и патентообладатель Мор. гос. ун-т им. адм. Г. И. Невельского. - Заявка № 2012124850/11(038043); заявл. 14.06.12.

Статьи и реферируемых журналах ВАК

1. Маликова Т. Е. Математическая модель исследования динамики системы «судно - укрупненная грузовая единица - штабель пиломатериала» / Т. Е. Маликова, Н. М. Аносов // Морской вестник. Научно-технический и информационно-аналитический журнал. - 2012 - № 3 (43). - сентябрь. - СПб.: «Мор Вест» 2012. - С. 97-98.

2. Маликова Т. Е. Использование теории графов при разработке математических моделей систем «смещающийся груз - спецустройство» / Т. Е. Мапикова // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2012. -№ 2. - Новосибирск: НГАВТ, 2012. - С. 39^12.

3. Маликова Т. Е. Пневмотехнология обеспечения сохранной и безопасной перевозки штабеля труб на палубе судна / 'Г. Е. Маликова, А.Д.Москаленко // Эксплуатация морского транспорта. - 2013. -№ 1(71). - СПб.: ГМА им. адм. С. О. Макарова, 2013. - С. 7 9.

4. Маликова Т. Е. Теоретическая модель смещающихся грузов с дискретной распорной структурой / Т. Е. Маликова, А. С. Шпак Н Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2013. - № 1. - Новосибирск: НГАВТ, 2013. - С. 142-145.

5. Маликова Т. Е. Теоретическая модель смещающихся грузов с дискретной безраспорной структурой / Т. Е. Маликова // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2013. - № 2. - Новосибирск: НГАВТ, 2013. - С. 138-140.

6. Маликова Т. Е. Двухфакторный рандомизированный эксперимент по изучению условий функционирования компенсационного пневморегу-лятора в штабеле труб / Т. Е. Маликова // Вестник ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова. - Вып. 1 (23) - СПб.: ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2014. - С. 125-129.

7. Маликова Т. Е. Повышение эффективности морской перевозки труб большого диаметра на палубе судна / Т. Е. Маликова, М. А. Москаленко // Вестник ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова. - Вып. 2 (24). - СПб.: ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2014. - С. 100-105.

8. Маликова Т. Е. Двухфакторный рандомизированный эксперимент по изучению условий регулирования смещаемости сыпучих грузов / Т. Е. Маликова // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2014. -№ 1-2. - Новосибирск: НГАВТ, 2014. - С. 42^17.

9. Маликова Т. Е. Аварийность морского флота и анализ внешних факторов, повлекших за собой аварии со смещением грузов / Т. Е. Маликова // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2014. -№ 1-2. - Новосибирск: НГАВТ, 2014. - С. 10-14.

10. Маликова Т. Е. Применение теории катастроф для классификации сценариев потери остойчивости судна при смещении груза / Т. Е. Маликова // Вестник ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова. - Вып. 3 (25). - СПб.: ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2014. - С. 15-19.

Маликова Татьяна Егоровна

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДОЛОГИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ СМЕЩАЕМОСТИ ГРУЗОВ НА МОРСКИХ СУДАХ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 10.09.2014 г. Формат 60 х 84/16

Уч. изд. л. 2,9. Усл. п. л. 2,6. Тираж 120 экз. Заказ № 319

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

0015829

2010015829