Содержание к диссертации
Введение
1 Бесконтактные способы передачи грузов в море 9
1.1 Передача груза по схеме «Бакштов» 9
1.2 Передача груза в малых контьейнерах на плавбазу 19
1.3 Контейнеры для передачи рыбопродукции 21
1.4 Передача уловов на производственную плавбазу в траловых мешках с конической частью (кутках) или малых передаточных контейнерах 23
1.4.1 Общие указания 25
1.4.2 Подготовка посольно-свежьевого траулера к передаче улова на плавбазу бесконтактным способом 25
1.4.3 Подготовка производственной плавбазы
к приему улова с посольного-свежьего траулера бесконтактным способом 27
1.4.4 Передача улова с посольно-свежьевого траулера
на производственную плавбазу бесконтактным способом 32
1.4.5 Указания по технике безопасности при передаче уловов с посольно свежьевого
траулера на производственную плавбазу бесконтактным способом 41
1.5.1 Подготовка посольно-свежьевого траулера к передаче улова на рыбомучную плавбазу бесконтактным способом 43
1.5.2 Подготовка рыбомучной плавбазы к приемке улова от посольно-свежьевого траулера бесконтактным способом 46
1.5.3 Передача уловов с посольно-свежьевого траулера на рыбомучную базубесконтактным способом 45
1.5.4 Указания по технике безопасности при передаче уловов с посольно-свежьевого траулера на рыбомучную плавбазу бесконтактным способом 51
1.5.5 Перечень вооружения, необходимого для передачи уловов с посольно свежьевоготраулера на производственную и рыбомучную плавбазу 53
1.6.1 Подбор и расчет элементов приемопередаточной схемы 55
Выводы к главе 1 58
2 Построение математической модели для двух объектов, участвующих в передаче груза 61
2.1 Общий вид модели 61
2.2 Гидродинамические усилия
2.2.1 Гидродинамические усилия подводной части корпуса объекта 63
2.2.2 Программная реализация расчета гидродинамических коэффициентов 65
2.2.3 Расчет гидродинамических параметров и усилий объектов 68
2.2.4 Влияние мелководья
2.3 Усилия на руле 74
2.4 Аэродинамические воздействия
2.4.1 Аэродинамические воздействия на корпуса объектов 78
2.4.2 Программная реализация расчета гидродинамических коэффициентов 81
2.4.3 Расчет гидродинамических параметров и усилий объектов 85
2.5 Воздействия на суда морского волнения 89
2.5.1 Постоянные составляющие воздействия регулярного волнения 89
3.5.1 Переменные составляющие воздействия от регулярного волнения 95
2.5.1 Составляющие воздействия на судно от нерегулярного волнения 102
2.5.3 1 Расчет усилий для глубокой воды 102
Выводы к главе 2 107
3 Оценка влияния взаимодействия судов на безопасность процесса передачи груза 110
3.1 Гидродинамическое взаимодействие двух подвижных объектов 110
3.1.1 Взаимодействие в неограниченной жидкости 110
3.1.2 Учет глубины акватории 123
3.2 Моделирование маневров судов в ходе маневрирования при учете гидродинамического взаимодействия 136
3.2.1 Маневрирование без ветра 138
3.2.2 Учет действия ветра 141
3.2.3 Учет экранирования от ветра 148
Выводы к главе 3 151
Заключение 153
Список использованной литературы
- Подготовка посольно-свежьевого траулера к передаче улова на плавбазу бесконтактным способом
- Гидродинамические усилия подводной части корпуса объекта
- Взаимодействие в неограниченной жидкости
- Моделирование маневров судов в ходе маневрирования при учете гидродинамического взаимодействия
Подготовка посольно-свежьевого траулера к передаче улова на плавбазу бесконтактным способом
Работы по передаче грузов бесконтактным способом проводились членами экипажей, руководствуясь общим принципом. Каждый участник такой работы вносил что-то свое, усовершенствуя способ передачи. Возможно, именно это явилось одной из причин, почему никто не оставил письменных инструкций по осуществлению этого метода на практике. То, что такой способ может пригодиться тем, кто работает в море не вызывает сомнения, поэтому в данной работе проведена его реконструкция с подробным описанием всех этапов.
Вернемся к способу постановки на бакштов. Передачу первого бросательного конца, можно подавать с судна на судно двумя способами. На танкерах, как правило, применяют линеметательную установку, воздушного типа. Применять пиротехнический линеметатель на танкерах запрещено по вышеописанной причине. Использование открытого огня на нефтеналивных судах категорически запрещено. Воздушные линеметатели опасны при эксплуатации и запрещены для использования на судах рыбного хозяйства. В практике их применения были случаи со смертельным исходом от попадания в голову человека тяжелой «болванки» этого устройства. Использование их на танкерах разрешили только по той причине, что не могли придумать ничего нового. Но было поставлено условие использовать их с особой осторожностью и только в крайних случаях. По этой причине, если позволяет погода, танкера стараются подойти к корме другого судна на близкое расстояние, при котором можно вручную забросить бросательный конец и по нему подать проводник бакштова. Танкера являются специализированными судами, которые занимаются постановкой на бакштов постоянно, их экипажи обладают большим опытом работы. На тех танкерах, которые работают в море по снабжению промысловых судов, имеются все необходимые предметы, используемые при выполнении работ по постановке на бакштов, подаче шлангов и их соединение на другом судне. В комплект таких предметов входит буксирный трос (бакштов), являющийся синтетическим тросом длиной окружности 250–300 мм и длиной 150–200 м; проводником из синтетического или комбинированного троса длиной окружности 70–90 мм и длиной в двойную длину бакштова; топливный и водяной шланги длиной на 15–20 процентов длиннее бакштова. На концах шлангов должно быть международное соединение с непроницаемой заглушкой, закрепленной болтами. На заглушке может быть приварен рым, за который такелажной скобой крепится шланговый проводник (двойной длины шланга). К началу шланга может быть закреплено приспособление, сваренное с металлических прутков, которое устанавливается на планшире принимающего судна, для предохранения шланга от излома и перетирания во время движения судов.
При постановке на бакштов танкер подает бросательный конец при помощи линеметателя или вручную, привязав коренной конец к проводнику бакштова, подает проводник, конец которого прикреплен к гаше бакштова. Принимающее судно выбирает проводник, поднимает на полубак гашу бакштова, и крепит бакштов на кнехты. Выбирая шланговый проводник, который был прикреплен к гаше бакштова, выбирают шланг на борт судна. Выбрав шланг, крепят, подсоединяют к приемнику и по нему получают жидкий груз. Это общеизвестная схема работы танкера с любым судном может быть выполнена, как на малом ходу обоих судов, так и в дрейфе. Порыв шланга исключается, так как его длина всегда больше натянутого бакштова и он свободно плавает в воде.
В море часто возникает ситуация, когда необходимо передать топливо, воду и другое бесконтактным способом с плавбазы или транспортного судна на промысловое судно, или с промыслового судна на промысловое судно. Особенно это актуально в настоящее время, когда на северном бассейне не осталось ни одной плавбазы. Промысловые суда практически в одиночку работают на промысле. Несомненно, что бывают случаи, когда они могут помочь друг другу в передаче топлива или другого снабжения. Выше упоминалось о том, что существуют два способа постановки на бакштов. Один из них, который использую танкера, описан. Приступим к описанию второго способа.
На плавбазах, которые постоянно занимались снабжением промысловых судов, придумали более безопасную схему постановки на бакштов и снабжение судов жидким грузом. Эта схема позволяет стать к плавбазе или другому судну на бакштов без особых затруднений. Если точно выполнять все команды головного судна по радио, то ее может выполнить любой судоводитель на становящемся на бакштов судне. По такой схеме наши плавбазы всегда снабжали промысловые суда дружественных нам стран, которые работали с нами на промысле.
Суть этой схемы заключается в том, что передача первого конца и последующих за ним предметов, осуществляется по воде. Плавбаза дает ход вперед, набирает инерцию и, застопорив машину, после чего выбрасывается с кормы легкий проводник, с резиновыми плавучими буями, один из которых прикреплен к началу проводника, а второй на расстоянии 3–5 м по длине проводника. Так как плавбаза имеет ход вперед по инерции, буйки остаются на месте и удаляются на безопасное от кормы расстояние (от 50 до 100 м) в зависимости от состояния моря. К коренному концу крепится более мощный проводник бакштова, длина которого должна соответствовать длине бакштова и его коренной конец прикреплен к гаше бакштова.
Судно, которое становится на бакштов, маневрируя на безопасном расстоянии, подходит к плавающим буям своим подветренным бортом и при помощи «кошки» (сделанный из стального прутка 5–6 мм якорь с 5 или 6 лапами, привязанный на бросательный конец) поднимает проводник с буями на борт судна. «Кошку» надо бросать с таким расчетом, чтобы попасть между двумя буями, между которыми угадывается направление проводника. Подбирая бросательный конец, лапами цепляют проводник и вместе с буями вытаскивают из воды, поднимая на борт. Выбирают проводник вручную пока не появится более мощный проводник, который берут на турачку брашпиля или грузовой лебедки и выбирают до появления из воды гаши бакштова. Подняв на полубак гашу бакштова, закрепляют ее на буксирные кнехты. Каждый этап выполнения должен докладываться на головное судно по радио и беспрекословно выполнять все команды, которые отдает это судно. Суда могут свободно маневрировать, не опасаясь намотки проводников на винт, так как они легкие и плавают на поверхности воды, а более тяжелый бакштов подается под натяжением и не входит глубоко в воду. Плавбаза, получив доклад принимающего судна о закреплении бакштова, потравливая, выбирает безопасное расстояние от своей кормы до носа принимающего судна в зависимости от погодных условий, крепит бакштов на своем борту. Таким образом, осуществляется безопасная постановка на бакштов. После этого приступают ко второму этапу, который моряки называют «шланговка».
Гидродинамические усилия подводной части корпуса объекта
Наиболее адекватной моделью для описания маневрирования объектов при движении параллельными курсами с целью передачи груза является модель в перемещениях. Ее применяли для решения задач движения судна с большими углами дрейфа, одними из первых сделал это Тумашик А.П. в работе [2.1]. В нашем случае объекты не обязательно перемещаются с большими углами дрейфа, но очень важно описание именно поперечного движения судов в процессе маневрирования.
Предварительно можно сказать, что эта же модель подходит для другой задачи, рассмотренной ниже, смоделировать тактику управления подходом сдающего улов судна к судну-приемщику. Это связано с тем, что приходится управлять именно поперечными смещениями маневрирующего судна, а это удобнее всего сделать с помощью модели в перемещениях.
Модель сводится к трем дифференциальным уравнениям первого порядка: два первых уравнения описывают изменения скоростей продольного vx и поперечного vy перемещений судна и одно изменение угловой скорости поворота судна со вокруг вертикальной оси. Система дифференциальных уравнений, представляющих такую модель, приводится ниже согласно первоисточнику. Мы говорим здесь об одной модели для двух маневрирующих судов, они различаются лишь параметрически в зависимости от геометрии судов и их источников движения и управления. В частном случае одинаковых маневрирующих судов рассчитывают параметры только для одной конкретной модели, в общем случае такие параметры рассчитываются для двух моделей.
В данном исследовании рассмотрена типичная ситуация маневрирования двух разных по габаритам объектов рыболовного промысла - кормового траулера типа «Моонзунд» (L = 107 м) и кормового траулера типа «Баренцево море» (L = 59 м). В этой ситуации нас интересует взаимодействие этих объектов на относительно небольших расстояниях между судами и выработка тактики управления судами на время передачи грузов бесконтактным способом. Такая проблема требует обязательного построения моделей маневрирующих судов и определения параметров этих моделей. Лишь затем возможен анализ поведения судов на рассматриваемом этапе маневрирования.
Для полного описания модели требуется рассмотреть все усилия и моменты, входящие в эту модель. В (2.1) в порядке их появления в правых частях уравнений -это следующие усилия и моменты: гидродинамические корпусные (к), аэродинамические (а), от волнения (w), от руля (г), от подруля (рг), упор движителя (Ре). При движении на малых расстояниях между судами возникает еще один тип сил и моментов, которые описывают взаимодействие судов. Этот тип взаимодействия рассмотрим в главе 3.
В соответствие с моделью усилия проецируются на продольную ось ОХ, направленную вдоль ДП, и поперечную ось OY, перпендикулярную ДП, а моменты -вертикальную ось Осо с центром в центре масс (ЦТ) объекта. Ниже приведены формулы расчета для параметров этой модели, для всех видов нагрузок.2.2 Гидродинамические усилия где R -сопротивление воды движению судна при исходном значении линейной скорости (и0) на переднем ходу. Этот коэффициент находится по результатам испытаний судна на разгон в грузу и балласте. При этом будем считать, что нам известна доля у % полной мощности силовой установки, которая используется для движения с номинальной скоростью и номинальная скорость движения, достигаемая при этом. Тогда
Эта формула справедлива, если входящая в нее величина / определяется по теоретическому чертежу с 21 равноотстоящим шпангоутом (шпангоут-0 перпендикуляр к основной плоскости из точки пересечения действующей ватерлинии с форштевнем носовой перпендикуляр, шпангоут-20 с ахтерштевнем - кормовой перпендикуляр).
Шпангоут с номером / характеризует точку по длине судна, в которой кормовой дейдвуд сливается с корпусом. В случае, если судно не имеет дейдвуда и U-образная форма шпангоута сохраняется на протяжении всей кормовой оконечности, под шпангоутом номера / следует понимать первый, считая с кормы, шпангоут, контур которого касается основной плоскости. В зависимости от положения шпангоута / по длине судна его номер может быть как целым, так и дробным.
Взаимодействие в неограниченной жидкости
Теперь можно в среде MathCad реализовать интегральные формулы (2.26) для коэффициентов Крылова А.Н., поскольку эта среда имеет встроенные значения функций Бесселя. Такие расчеты приводят к двум графикам для этих коэффициентов в соответствии с рисунком 2.9 .
Вычислив редукционные коэффициенты, возможно, определить само поперечное усилие и вращающий момент. Их значения для волны, вызванной действием ветра в 10 м/с, с высотой волны h = 1,9 м и длиной 36 м, частотой 1,3 приведены как функции угла набегания волны. Рисунок 2.10 представляет поперечные усилия, а рисунок 2.11 - вращающий момент.
В этих расчетах учтено движение самих судов, несмотря на малые скорости плавания при швартовках. Скорость судна изменяет кажущуюся частоту набегания волны на судно. Формула для учета этого движения такова:
В нашем случае скорости при максимальной скорости операций v = 1,5 м/с это дает примерно 20 % увеличение частоты соударения с волной. На каждом из рисунков 2.10 и 2.11 приведено по две кривые: сплошная – без учета скорости плавания, точечная – с учетом этого эффекта. Хорошо видно малое изменение результатов расчета для данной скорости. с различными формулами для вычисления этого усилия. Выберем формулу, предложенную Хаскиндом М.Д. [2.8], достоинством которой является возможность найти осевое усилие для всех направлений набегающей волны Д. К тому же она по своей структуре подобна формулам Крылова А.Н. и сохраняет стереотипность вычислений. Согласно этой формуле
Второй редукционный коэффициент XL находится в зависимости от составного аргумента (L/ )cos(Pw) при помощи графиков с параметром а -полнота ватерлинии судна [2.8]. Для наших траулеров выбрана средняя полнота ватерлинии, и для нее выделена одна кривая семейства, которая была оцифрована для перехода к аналитической форме.
Для этого аппроксимируем полученные цифровые данные с помощью привычной технологии - передачи результатов оцифровки в среду MathCad для аппроксимации. Результат этих процедур показан ниже на рис. 2.12. Функция аппроксимируется в форме XL = klek2xcos(k3x2+k4), содержащей четыре неизвестных параметра Ц. Эти параметры находятся функцией MathCad GENFIT. Она требует для своей работы выражения для производных от функции по параметрам Ц и их начальные значения для старта процесса приближения. В тригонометрическую функцию введен квадрат аргумента х, чтобы период колебаний падал с ростом х, как это следует из числовых данных. Результатом этих процедур является функция [2.12] продольного волнового усилия по аргументу (ZA)cos(Pw). XL = -1,3 ехр(-0,93 JC1 4) Cos(0,93 JC2) + 3,7). (2.29) Рисунок 2.12 - Продольное усилие для траулера «Баренцево море» (кН) в зависимости от курсового угла волны (длина волны Я, = 0,88Z) Аргументом х функции (2.30) является составной параметр х = (LM)cos(Pw). Он учитывает не только относительные размеры длины волны и судна, но и направление распространения регулярной волны $w.
Реальное морское волнение является нерегулярным, поскольку оно состоит из волн разных длин, направлений и амплитуд. Будем считать, что при этом все усилия представляют собой стационарные случайные процессы, а спектральная плотность волнения известна. Используем спектральную плотность амплитуды волны (или ее высоты, или угла волнового склона). Все эти спектральные плотности одинаковы, поэтому для конкретности будем говорить о спектральной плотности амплитуды волнения %(ю). Поскольку все усилия линейно связаны с самим процессом волнения (это определено формулами 2.25, 2.29), то для нерегулярного волнения можно подсчитать среднее значение и дисперсию любого усилия по интегральным формулам:
Формулы (2.31) приведены для продольного усилия Xw. Формулы для поперечного усилия и вращающего момента имеют подобную структуру, так как и они пропорциональны амплитуде. Главным здесь является тот факт, что спектральная характеристика %(оо) есть характеристика энергетическая, и дает распределение квадрата амплитуды волнения по частотам. Конкретные расчеты произведем для нерегулярного двумерного волнения, в котором смешаны две аддитивные составляющие - высокочастотная S1 и низкочастотная 52 в виде двух слагаемых. Обе составляющие записаны далее для высоты волны 3 % обеспеченности /73о/о = 3 м и представлены графически на рис. 2.14 как функции частоты со. Сами спектральные плотности для заданной къ% известны и выглядят аналитически следующим образом: / — \ / X где со = 1,903995 / yJh o = 1,1 с–1 - средняя частота нерегулярного двумерного волнения для выбранной высоты волны. 3 % обеспеченности h3o/o. Применяя формулу (2.31) для среднего значения путем интегрирования, находим среднее значение поперечного усилия в зависимости от курсового угла нерегулярных волн в соответствии с рисунком 2.15 . Отдельно показаны усилия, генерируемые двумя компонентами спектра волнения S1 и 52. Аналогичный график для среднего значения вращающего момента представлен на рисунке 2.16 .
Спектральные плотности высокочастотной (S1) и низкочастотной (S2) составляющих процесса нерегулярного волнения Этими расчетами исчерпывается учет эффекта влияния нерегулярного волнения на объект маневрирования (судно) в условиях глубокого моря. С помощью полученных результатов можно оценивать предельные силовые воздействия со стороны волнения в процессе маневрирования. Предельные значения могут понадобиться при оценке возможностей удержания маневрирующих судов от жесткого контакта с помощью рулевых устройств. Однако, они не дают возможности генерировать значения сил и момента для целей моделирования перемещений объектов в процессе маневрирования. В главе 3 применяется другой способ такой генерации, который необходим при моделировании движения судов.
Моделирование маневров судов в ходе маневрирования при учете гидродинамического взаимодействия
Рассмотрим несколько измененное управление при действии того же ветра силой 10 м/с и направления 60 л/б. Оно лишь в небольшой мере будет отличаться от исходного управления. Однако сама траектория при этом будет иной. Изменения, внесенные в маневр, следующие. На 30 с руль переложен вправо на 13 ( а не на 20, как ранее). Сам маневр начат из точки, в которой мидели судов отстоят на 170 м, а ДП - на 70 м. Дело в том, что ветер с левого борта уменьшает поперечную скорость сближения судов. Поэтому исходная поперечная позиция для маневра взята ближе на 10 м. В остальном параметры маневра те же. Траектория, которая возникает в ходе этого маневра, показана на рисунке 3.27. Это средняя траектория, предыдущая траектория - крайняя правая. При движении по этой новой траектории на 225 сек. мы приближаемся вплотную к борту судна-партнера, при этом мидель нашего судна оказывается на 22 м впереди миделя партнера.
Тем самым, задача решена, наше судно подведено к борту судна-партнера. Главные силовые характеристики в данный момент времени таковы. Моменты: на руле Mr = 73 кНм, взаимодействия Mвз = 33 кНм, гидродинамический Mh = –241 кНм, аэродинамический Mа = 146 кНм. Эти данные еще раз подтверждают вывод о том, что главным силовым фактором является ветер, его момент в 4,5 раза превышает момент от взаимодействия в точке подхода к борту партнера. Еще раз можно повторить сказанное выше, что это расчеты с запасом на равные по размеру суда и равные скорости их движения.
Проведенные маневрирования с использованием моделей маневрирующих судов показывают еще одну особенность, которая связана с сильной нелинейностью моделей. Для маневрирования, приведенного выше, характерна точка бифуркации, когда малое изменение управления ведет к значительному изменению траектории. На рис. 3.27 левая траектория возникает, когда на 30 с руль кладется на 12 п/б, а не 13. Однако, траектория резко уходит влево, фактически ведя к столкновению судов. Все управления между 12 и 12,9 также приводят судно на эту левую траектория. Это и есть типично бифуркационное поведение модели.
Такое поведение характерно для модели траулера «Баренцево море». Это особое, короткое судно с эффективным рулем, как следствие, с высокой поворотливостью. Оно проявляется и на моделировании стандартных маневров, таких, как циркуляция и зигзаг.
Если же взять для сравнения судно-партнер, траулер «Моонзунд», то бифуркационного поведения его модель не обнаруживает. Например, при маневре, подобном описанному выше, когда в моменты t, равные 0, 90, 150 с руль кладется на -30, +20 и 0, мы получаем некоторую траекторию, которая устраивает нас по продольным и поперечным перемещениям. Заметим, что и моменты времени, и кладки руля, имеют большие значения, чем для траулера «Баренцево море». Это соответствует более тяжелому и менее «верткому» судну. Если теперь мы будем изменять вторую кладку руля 20 в диапазоне 16-25, то никакой бифуркации не происходит. Все траектории плавно уходят либо влево, либо вправо на незначительные величины. Модель обнаруживает вполне вправо на незначительные величины. Модель обнаруживает вполне корректное поведение.
Особое значение имеет проблема экранирования ветра судном-партнером. Это обстоятельство также можно промоделировать с использованием той же программы. Степень экранирования и направления, в которых действует этот эффект не поддаются простому подсчету. Эксперименты подобного рода не проводились. Поэтому наши рассуждения носят гипотетический характер, но могут быть апробированы модельно. Учитывая конфигурацию наших судов, можно предположить, что эффект экранирования наступает, когда мидель маневрирующего судна («Баренцево море») находится на расстоянии 20 м от миделя судна-партнера («Моонзунд») в ту, или иную сторону. Будем считать, что при этом ветровые усилия (сила и момент) равны нулю. Для этого случая проведем моделирование маневра, который отличается от предыдущего тем, что на 30 сек руль кладется на правый борт на 17. Ранее руль клался на 13 п/б, поскольку ветер с левого борта помогал отворачивать вправо. Конфигурация новой траектории отличается от предыдущей траектории и имеет два дополнительных перегиба. Но главное - она осуществляет задачу подхода к борту судна-партнера. Эта траектория наряду с двумя другими показана на рис. 3.28. На нем правая траектория (черная) получена при старом управлении судном, когда экранирование от ветра не учитывалось. Средняя траектория (коричневая) получена при новом управлении (осг = 17 п/б). Левая траектория (зеленая) соответствует старому управлению (аг = 13 п/б) и при экранировании подходящего судна от ветра. Эта траектория приведет к столкновению с судном-партнером. В момент начала Экранирования на 181 с аэродинамический момент был равен 197 кНм, в то время как момент от взаимодействия судов еще отсутствовал. На 286 с снова появился (судно вышло из ветровой тени) аэродинамический момент, равный 174 тсм, момент от взаимодействия равен при этом 32 тсм.
Все моменты в этом маневре представлены на рисунке 3.29, а относительные смещения судов на рисунке 3.30 как функции времени.
Все это приводит к заключению, что швартовка - сложна операция, когда расчеты значат менее, чем интуиция и опыт таких операция с разными судами и в различных погодных условиях. Но рассчитанные модели и последующие модельные испытания дают возможность расчета работы системы управления швартовкой, которая использует инерционные датчики, разнесенные по ДП судна. Такие системы описаны в ряде патентов, например, 3.10. Для моделирования работы таких систем, когда скорости и перемещения судна находятся интегрированием измеряемых ускорений, может быть применены наши модельные расчеты и сама программа моделирования маневров.