автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Влияние эксплуатационных факторов и параметров сцепных устройств на усилия в счалах судовых толкаемых составов

Министерство транспорта России Московская государственная академия водного транспорта

РГ6 од

" 3 СЕН №38

На правах рукописи УДК 629.12

Преснов Сергей Вячеславович

Влияние эксплуатационных факторов и параметров сцепных устройств на усилия в счалах судовых толкаемых составов

Специальность

05.22.19 Эксплуатация водного транспорта

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московской государственной академии полного транспорта.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

B.C.Амелин

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор К. А. Гаршшв.

- кандидат технических наук, доктор Академии Транспорта, профессор

М. П. Шилов.

Защита диссертации состоится "05" октября 1998г. в 15 часов в аудитории N 203 на заседании диссертационного ученого совета Д 116.04.01 при Московской государственной академии водного транспорта по адресу: 115407,Москва, ул. Судостроительная, д. 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАВТ.

Автореферат разослан "ggl" _1998г.

Отзывы на реферат в двух экземплярах,, заверенные гербовой печатью предприятия, просим направлять в адрес указанного диссертационного сонета.

Ученый секретарь сонета, кандидат технических наук, доцент

/ Ю. М. Миронов /

-з-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теин. В 60-х - 70-х годах на речном транспорте нашей страны произошел переход от буксировки барж к новому способу вождения - толканию. Для новых типов составов били разработаны и внедрены сцепные и автосцепные устройства.

Многолнтний опыт работы составов показал, что принятые схемные решения сцепки судов и запасы прочности сцепных устройств в основном обеспечивают удовлетворительную надежность эксплуатации составов на внутренних водных путях. Тем не менее, вопрос о надежном определении счальных усилий нельзя считать полностью решенным.

Анализ натурных исследований, проведенных МГАВТ (МИИВТ) и НГАВТ (НИИВТ) в навигации 1989 и 1990 года на толкаемых составах Московского речного пароходства показал, что даже н речных условиях счальные усилия могут периодически возрастать до неличин, значительно превосходящих расчетные значения, что является одной из причин интенсивных износов и аварийных разрушений некоторых узлов и деталей сцепных устройств. Такие явления наблюдались на мелководье, при расхождениях с судами и др. и являются следствием дополнительных волновых нагрузок.

До настоящего времени остается нерешенным вопрос о расчетных нагрузках в счалах толкаемых составов при их движении в условиях развитого "волнения. Создание морских ' толкаемых составов достаточно остро ставит вопрос о выборе сцепного устройства, обеспечивающего надежную связь толкача и баржи. Для решения этого вопроса необходимо знать расчетные усилия, возникающие в связях при движении толкаемых составов в условиях волнения.

Предпринято несколько попыток создания методик определения усилий в счалах толкаемых составов, в том числе и при движении составов в условиях волнения. Вопросам определения усилий в счалах составов посвящены работы В. С. Амелина, Н. Д. Великосельского С. Ю. Вильчека, О. И. Гордсева, Г. П. Котова, А. В. Крулева, М. Я. Маркело-ва, А. А. Ротина, Н. Ф. Сторожева, О. И. Сибриконой, В. Н. Шаца и др.

Наиболее обстоятельны исследования по сцепным устройствам, проведенные Н. Ф. Сторожевым. Эти исследования привели его к созданию нескольких редакций методик по определению усилий в счалах толкаемых составов на волнении. Тем не менее эти методики не всегда гарантируют надежных результатов, что связано с

больиой сложностью задачи и неполным учетом в ряде случас факторов, определяющих усилия и счале. Из последних исследован! можно отметить работы Г.П.Котова, однако они не име! законченного характера.

Отсутствие надежных методик по определению усилий в счал! составов с учетом волнения при проектировании сцепных устройств эксплуатации толкаемых составов приводит к двум осложнениям:

а) нет гарантии, что установленное сцепное устройство облада< достаточной прочностью при движении и условиях волнения;

б) излишняя прочность сцепного устройства в одном из направлен! приводит к удорожанию конструкции, но не снимает проблемы е1 разрушения.

Таким образом, необходимо создание методики, позволявши определять усилия в счалах толкаемых составов при их движении условиях волнения, пригодного для различных типов сцепш устройств.

Цель исследований - определение влияния эксплуатационн! факторов и параметров сцепных устройств на усилия в счал; кильватерных толкаемых составов при движении в реальных путев! условиях.

Методика исследования. Работа носит теоретико-эксперимен тальимй характер. В эксперименте использовалась совремепн измерительная аппаратура, расчеты выполнялись с использовани ЭВМ.

Достоверность полученных в работе научных результат определяется применением современной измерительной аппаратуры проверкой теоретических разработок путем сопоставления результатов с данными эксперимента.

Научная новизна.

1. Выполнены замеры усилий, возникающих в счалах толкаем составов при движении в реальных путевых условиях.

2. Выявлены неблагоприятные эксплуатационные факторы, влиякщ на счальные усилия.

3. Разработана математическая модель расчета счальных усили при движении в условиях волнения.

4. Исследовано влияние параметров сиепных устройств на усилия, возникающие п счалах толкаемых составов при дпижении на волнении.

5. Предложена методика определения усилий и счалах составов на начальных стадиях проектирования.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Разработанный метод расчета усилий, возникающих в счале кильватерного толкаемого состава при произвольном движении, позволяет учитывать воздействие неблагоприятных эксплуатационных факторов при выборе сцепных устройств для составов, работающих в условиях волнения.

Использование результатов исследования дает возможность выбирать безопасные режимы работы толкаемых составов (например, при эксплуатации в условиях волнения избегать неблагоприятных курсовых углов).

Предлагаемый метод расчета является универсальным и применим для составов с различными тинами сцепных устройств.

Внедрение. Результаты исследований одобрены Российским Речным Регистром и могут быть приняты к внедрению в Правила Российского Речного Регистра и соответствующие стандарты отрасли.

Автор защищает.

1. Результаты исследования плияния эксплуатационных факторов и параметров сцепных устройств на счальные усилия.

2. Методику определения усилий, действующих на сцепные устройства толкаемого состава при произвольном движении в условиях волнения.

Публикации и апробация работы.

Содержание диссертации отражено в 7 печатных работах. По мере выполнения работы основные ее этапы докладывались на ежегодных научно-техничнских конференциях МГАВТ, начиная с 1991 года.

Структура и объем работы

Диссертационная работа включает введение, пять глав,

заключение, описок литературы из _ наименований. Работа

1ДП 7Т изложена на _ страницах машинописного текста, содержит '°

рисунка и _11_ таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, методология ее выполнения и основные результаты, которые автор выносит на защиту

В первой главе произведен анализ существующих методов определения усилий в счалах толкаемых составов. Даны основные характеристики толкаемых составов, которые эксплуатируются в России и за рубежом в различных путевых условиях. Рассмотрены предложенные методики определения усилий в связях сцепных устройств толкаемых составов. Произведен анализ результатов, полученных по изложенным методикам.

В результате анализа предложенных методов определения усилий в счалах толкаемых составов, в том числе и в условиях волнения, сделан вывод, что в настоящее время еще не создано надежного метода определения счальных усилий, достаточно полно учитывающего воздействие эксплуатационных факторов при движении составов в реальных путевых условиях.

В С1!51зи с этим возникает необходимость и продолжении исследований и уточненнии методов определения счальных усилий при движении толкаемых составов.

Экспериментальные и теоретические исследования и натурные наблюдения при эксплуатации составов в различных путевых условиях показывают, что главными факторами, определяющими неличину счальных усилий, помимо инерционных сил, сил на корпусах судов и движительно-рулевом комплексе, являются дополнительные

эксплуатационные нагрузки, возникающие при движении в морских и озерных условиях, на мелководье, при расхождении и обгонах на узком судовом ходу и являющиеся в подавляющем большинстве случаев следствием воздействия на суда групповых или одиночных волн с разными параметрами. Несмотря на внешне различные путевые условия вопрос об усилиях в счалах для указанных случаев можно свести к одной задаче — задаче об усилиях при произвольном движении состава на взволнованной поверхности.

Далее, н первой главе, на основе общего исследования проблемы сформулированы и изложены цели и задачи настоящего исследования.

Вторая глава посвящена составлению и решению математической модели определения усилий в счале кильватерного толкаемого состава при движении в условиях волнения.

Решение вопроса об усилиях в счале, возникающих при движении такого состава в условиях волнения, связано с составлением и решением уравнений его движения. С позиций аналитической механики толкаемый состав представляет собой систему связанных между собой тел, движущихся под действием сил, приложенных к каждому телу. Независимо от конструкции сцепного устройства общее решение задачи может быть получено путем использования известных уравнений динамики. Эти уравнения позволяют получить зависимости между геометрическими и кинематическими характеристиками толкаемого состава, а также внеиними силами, действующими на каждую секцию при произвольном движении, то есть получить уравнения движения толкаемого состава и одновременно отыскать реакции связей, каковыми в нашем случае являются усилия в счале при движении толкаемого состава в условиях волнения.

Уравнения движения толкаемого состава получены

дифференцированием выражения кинетической энергии по обобщенным координатам, в качестве которых приняты координаты центра тяжести (ЦТ) кормового судна (секции), углы крена, дифферента, рыскания, расстояние между транцами судов состава а, и упругие деформации б, с и V* ■ Система координат и принятые геометрические характеристики показаны на рис.1.

В качестве квазискоростей системы приняты проекции обобщенных скоростей на подвижные оси, связанные с кормовой секцией состана:

ш =

= V*/

Иг = «л

к, = ¿.а.

—

оИ

VII =

*<, =

=

и* =

<и

«</ =

¿С = ¿в

<И '

»/г = ¿1

(11

Кинетическая энергия системы определена. как сумма кинетических энергий секций, а также кинетической энергии жидкости, приобретаемой в результате движения толкаемого состава.

Проекции скорости движения второй секции на оси координат, а также угловые скорости, связанные с этой секцией, записаны в следующем виде:

Ух г = Ух^ + ^

/ о

V?г = ^х + ТГ +

Уг, = Уг.с + ~ + (а +6) Иу, ;

ах-

¿9 .

(2)

*х2 = +

*Уг = + ТГ • Игг = +

м

и

сС€

Для составления уравнений движении толкаемого состава в условиях волнения использованы уравнения Эйлера-Лагранжа. имеющие следующий вид".

А ¿Г+гг^.,. Г£гЗТ Я о Л ** кк 11 * к" Ш ' р<>

где:

Л - число степеней свободы: СО^ - квазискорости системы;

Хс

Ьт - длина толкача С кормовой секции); 16 - длина баржи Сиосовой секции); Ох - центр тяжести хормовой секции; Од - центр тяжести -носовой секции; V - кирсовой игол;

а - расстояние между транцами секций; Ь. У - ипригие деформации.

Рис. 1 Система координат

^Хл - трехиндексные символы Больцмана: - двухиндексные символы Больцмана;

-АЙ - квазикоординаты;

/3" - обобщенная сила, отнесенная к координате.

В результате математических преобразований получена систем« из двенадцати неоднородных дифференциальных уравнений пторог< порядка, которая включает в себя инерционные, вязкостные, возмущающие. демпфирующие, дифракционные и восстанавливающи< составляющие сил и моментов.

Возмущающую силу предусмотрено задавать определенным законом. Например, при косинусоидальной волне возмущающая сила будет вычисляться по выражению:

V = Р- В 8о^Ь С08(С> О,

(4)

где:

g - ускорение свободного падения; •Р - плотность воды; Бо - площадь исходной ватерлинии; ¿¿^ - редукционный коэффициент; Ь - амплитуда волны: С5 - круговая частота: I - текущее время.

Полученная система уравнений, представляющая собой сложнук структуру с громоздкими выражениями, реализована на ЭВМ РС/АТ.

Разнотипность сцепных устройств учитывается варьирование), коэффициентов жесткости счала по обобщенным координатам, ограничением степеней свободы, изменением относительны;, геометрических параметров сцепных устройств и др.

В третьей главе рассмотрен вопрос возможного упрощения нахождения счальных усилий на начальных стадиях проектирования. Для нахождения усилий в счалах толкаемых составов (при решение системы уравнений) требуются большие затраты времени, а дл* формирования и обработки файлов выходной информации - большие объемы памяти вычислительной машины. В силу этого для расчетот счальных усилии на начальных стадиях проектирования и для оценка усилий в условиях эксплуатации толкаемого состава дано также упрощенное решение этой задачи. Это упрощение выполнено путек разделения задачи определения усилий в счале на две:

1) нахождение усилий при днижении состава на спокойной воде;

2) опеделение усилий, возникающих в счале при качке состава. Далее усилия и счале на спокойной воде и от качки состава на волнении суммируются.

В основу решения этой задачи был положен прием, предложенный Н. Ф.Сторожевым, который впервые ввел понятие бокового волнового давления и предложил метод определения счальпых усилий для неподвижного толкаемого состава, находящегося в условиях волнения. В данной работе усилия в счале от действия волн находятся из решения уравнений качки.

Благодаря принятому упрощению время расчета усилий в счале состава при движении в условиях волнения существенно снижается.

Анализ численных расчетов показал, что упрощенный метод приводит к небольшому уменьшению величин, полученных точным методом. В связи с простотой и приемлемой точностью полученного решения упрощенный метод возможно использовать, для оценочных вычислений на начальных стадиях проектирования и при эксплуатации составов.

В четвертой главе приведены результаты численных экспериментов и натурных испытаний по определению счальных усилий при движении толкаемых составов с различными параметрами сцепных устройств в отличающихся друг от друга путевых условиях. Исследования производились с целью выявления неблагоприятных случаев, при которых усилия могут достигать опасных значений.

При проведении численных экспериментов рассматривалось влияние характера волнения (регулярное, нерегулярное), курсовых углов, параметров волн (длина и высота волны), тип сцепного устройства (ограничение по степеням свободы), жесткость сцепов.

Метод исследования позволяет задавать любой вид волнения (как регулярного, так и нерегулярного). С учетом неограниченного количества вариантов волнения при проведении численных экспериментов рассматривалось в основном регулярное волнение (как наиболее опасное), при этом в качестве порогового случая рассмотрена также встреча толкаемого состава с одиночной волной.

Курсовые углы варьировались в диапазоне 0 - 300^, что позволило в частном случае изучить изменение усилий при циркуляционном движении состава на волн^пи><

Длина волны изменялась в диапазоне Д. у/Ьс = 0. 1 - 1.5. Выбор

длины полни к указанном диапазоне обеспечил выявление наиболее опасных случаев с точки зрения усилий в счале. За пределами указанного диапазона счальные усилия уменьшаются.

Что касается типов сцепных устройств, то их конструктивное и техническое разнообразие учтено условным разделением сцепов на три типа: "идеальный","морской","речной". Под "идеальным" понимается условный точечный сцеп, жесткость которого по каждой из шести степеней свободы является конечной, хотя и изменяемой в широком диапазоне. "Морской" сцеп, аналогом которого является реальное сцепное устройство с горизонтальным двухзамковым шарнирным сцепом, в отличие от "идеального" позволяет судам состава свободные взаимные перемещения по углу дифферента. "Речной" сцеп обеспечивает взаимное свободное перемещение судов по углу дифферента (как и "морской" сцеп), а также по углу крена и по вертикальной оси.

Жесткость сцепов изменялась в широком диапазоне (0 -оО), что позволяет моделировать любой из указанных типов сцепов и учитывать их конструктивные особенности (например, рассматривать сцепы с амортизирующим устройством).

Ниже на рис. 2-6 приведены графики значений счальных усилий с учетом воздействия вышеуказанных особенностей при движении состава на волнении.

В качестве примера на рис. 2-6 приведены графики значений счальных усилий при движении толкаемого состава па волнении. Из рассмотрения рис. 2-6 видно, что своих максимальных значений усилия и счалр достигают на регулярном волнении при длине полны, близкой к половине длины состава.

Для каждого из усилий выявляются два ярко выраженных максимума - в зоне коротких волн, соответствующих собственным частотам колебаний толкача, и в зоне длинных волн, соответствующих собственным частотам колебаний баржи.

На основании численных экспериментов сделан вывод, что существенное влияние па величины нагрузок на сцепное устройство оказывают курсовые углы. Наиболее неблагоприятными являются значения курсовых углов близкие к: 60°. 150°, 240°, 300°.

Анализ материалов исследований показывает, что в одинаковых условиях эксплуатации при одинаковой жесткости наибольшие усилия возникают в "идеальном" сцепе. При этих же условиях счальные усилия, возникающие в связях "речного" сцепа по сравнению с

Сх

О. 40

60 IZO 180 240 300 330 4, Страд]

_A_v - длина волны; Le - длина состава; De - весовое водоизмещение состава; Nu - продольные усилия.

Су

Рис. 2 Продольные усилия в счале состава Gu. | С "идеальный" сцеп)

De

0.005 -

0. 30

1 I 1 1 Г~1 I I Г

60 120 100 240 300 380 Ч, ПГрадЗ

Qu - поперечные усилия в счале.

в

О

Рис. 3 Поперечные усилия в счале ("идеальный" сцеп)

Бц - вертикальные усилия в счале.

Рис. 4 Вертикальные усилия в счале С"морской" сцепЭ

Их - счольный момент относительно продольной оси.

Рис. 5 Коэффициенты счалыюго момента относительно продольной оси С"морской" сцеп}

Мг - счальный ионент относительно вертикальной оси.

Рис. 6 Коэффициенты счальиого момента относительно вертикальной оси С "идеальный" сцеп)

Рис. 7 Счальшлй момент при проведении маневра "змейка"

"иарским" имеют большие значения.

Жесткость сцепов оказывает существенное влияние на усилия счале. Введение амортизаторов, в частности в поперечне направлении, в ряде случаев приводит к снижению величш счального момента относительно вертикальной оси.

В навигации 1989 и 1990 годов совместными усилиями МГА1 С МИИВТ) и НГАВТ (НИИВТ) были проведены широкие экспериментально исследования на ряде толкаемых составов Московского речног пароходства. Одной из задач этих исследований было выявлен!: влияния на усилия в счале различных эксплуатационных факторов.

Анализ результатов экспериментальных исследований позволь: сделать следующие выводы:

1. Периодически, при неблагоприятном сочетании волнопы воздействий и перекладки рулевого органа толкача в счале состав возникают пиковые усилия, величины которых могут превосходит расчетные. Такие сочетания наблюдаются при движении н водохранилище, • при обгонах и расхождениях, особенно в условия мелководья.

2. Наибольшие усилия возникают при движении груженых составов однако в единичных случаях усилия н счалах порожних составо могут достигать опасных значений.

3. Максимальных значений счальный момент достигает при выполнени маневра "змейка" в условиях волнения.

В качестве примера на рис. 7 представлены значении счалыюп момента, возникающего при перекладке рулевого органа толкача полученного экспериментальным путем и численным расчетом. И анализа рис. 7 можно отмстить хорошую качественную сходииост результатов численного расчета и эксперимента. Модуляция счального момента, зафиксированного экспериментальным путем обусловлены наложенной вибрацией гидросистемы сцепных устройств.

В пятой главе приведена методика расчета счальных сил ] моментов, возникающих в связях сцепных устройств при движент толкаемых составов в условиях волнения. Методика основана ш решении дифференциальных уравнений движения толкаемого состава г условиях волнения с использованием программных и аппаратной средств вычислительной техники.

Метод расчета требователен к системным ресурса» вычислительной техники. Поэтому для расчетов необходимо наличие

IВМ совместимого компьютера с процессором не ниже Pentium, который допускает кэширование памяти не менее 256 кБайт и свободное пространство на диске не менее 10 МБайт.

В связи с этим в пятой главе также дана упрощенная методика определения усилий в счалах толкаемых составов, которая может быть использована для определения счальных сил и моментов на начальных стадиях проектирования и для оценки усилий, возникающих в условиях эксплуатации.

Благодаря упрощению значительно снижается время расчета.

Заключение.

Основными результатами работы автор считает следующие:

1. Выполнен обзор существующих методов расчета усилий в счалах толкаемых составов и дан их анализ.

2. Проведены натурные исследования на толкаемых составах в реальных условиях эксплуатации. Установлены неблагоприятные факторы, вызывающие опасное возрастание счальных усилий. Выявлено влияние эксплуатационных факторов на усилия в счале.

3. Составлена математическая модель и получено решение по определению усилий в счалах толкаемых составов при их движении с учетом качки. Математическая модель движения состава построена с возможностью расширения объема информации.

4. Выявлено влияние основных параметров ецеппых устройств на усилия в счалах. Установлены закономерности изменения усилий в счале в зависимости от ограничений по степеням свободы и изменения жесткости сцепов.

5. Разработан метод расчета счальных усилий при произвольном движении состава н реальных путевых условиях.

6. Дана упрощенная методика по определения счальных усилий на начальных стадиях проектирования, пригодный для оценочных расчетов усилий в счалах при. эксплуатации толкаемых составов в реальных путевых условиях.

7. Предложена методика расчета усилий в счалах толкаемых составов при их движении в условиях волнения с учетом качки.

Публикации. Результаты исследований. приведенных в

диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Преснов C.B. О влиянии волнения на усилия в счале. Сб. научных

трудов "Повышение эффективности судопропуска, раднонавигационн систем и безопасности плавания". М., МГАВТ, 1996.

2. Преснов С.В. Об усилиях в счалах толкаемых составов. С научных трудов "Наука и техника на речном транспорте", N3, M ЦБНТИ, 199G.

3. Преснов С.В. Определения усилий в счале двухзвеньево толкаемого состава. Сб. научных трудов "Наука и техника на речн транспорте" N4, М. , ЦБНТИ, 1996.

4. Преснов C.B. Влияние главных размерений толкача и баржи счальные усилия. Сб. научных трудов "Наука и техника на речн транспорте" К4, М., ЦБНТИ, 1996.

5. Преснов С. В. Влияние параметров сцепов на величины счальн усилий. Сб. научных трудов "Наука и техника на речном транспорт N6, И. , ЦБНТИ, 1997.

G. Амелин B.C., Преснов C.B. Влияние конструктивных особенност сцепов на усилия в счалах толкаемых составов. Сб. научных труд "Повышение эффективности судопропуска, радионавигационных сист и безопасности плавания". М. , МГАВТ, 1998.

7. Амелин B.C., Преснов C.B. Влияние жесткости связей толкаемо состава на счальные усилия. Сб. научных трудов "Повышение эффе тивности судопропуска, радионавигационных систем и безопасное плавания". М. , МГАВТ, 1998.