CC BY
5
4. Бочарова А.М. Исследование автомобилей и автомобильной промышленности с точки зрения экологии // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 6. С. 29-32.
5. Исаева Я.К. Влияние агрегатов и деталей электромобилей на экологию // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 5. С. 250-252.
6. Алиев Р.А. Основы общей экологии и международной экологической политики: Учебное пособие / Р.А. Алиев, А.А. Авроменко и др. М.: Аспект-Пресс, 2014. 384 с.
7. Шишкина П.А. Анализ негативного влияния электромобилей на окружающую среду // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 10. С. 112-114.
8. Шишкина А.А. Выхлопные газы и их влияние на здоровье человека // Образование и наука в России и за рубежом. 2019. № 2(50). С. 448-451.
9. Коряков А.Е., Шишкина А.А., Шишкина П.А. Влияние автомобиля на окружающую среду // Образование и наука в России и за рубежом. 2021. № 6(82). С. 109-111.
10. Как BMW, Daimler и Volkswagen собираются конкурировать с Илоном Маском // Ведомости [Электронный ресурс] URL: https://www.vedomosti.ru/auto/articles/2018/09/04/779943-bmw (дата обращения: 14.10.2022).
Шишкина Полина Андреевна, лаборант, shishkina5ap@yyandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYTICAL STUDY OF HYBRID VEHICLES FROM THE POINT OF VIEW OF ECOLOGY AND
OPERATION
P.A. Shishkina
The work is devoted to the study and comparative analysis of automotive power plants in terms of operation and environmental impact on the environment. A comparison is made of hybrid cars, electric cars, cars with internal combustion engines. Modern automotive industry strives to reduce the impact of cars on the environment. There are a number of methods for achieving this goal, the main one being the abandonment of the use of internal combustion engines running on gasoline or diesel fuel in favor of other methods of propulsion. Currently, the most popular alternatives are electric vehicles and hybrids. The statistics and forecast of the production of hybrid and electric cars are given. The possibilities of using each of the presented types of cars are analyzed. The classification comparison of hybrid cars is considered. Conclusions are drawn about which car is better in terms of impact on the environment and the environment.
Key words: hybrid cars, ecology, design, influence, cars, analysis.
Shishkina Polina Andreevna, laboratory assistant, shishkina5ap@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State
University
УДК 656.61.052
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-258-264
ИДЕНТИФИКАЦИЯ И СИНТЕЗ ХАРАКТЕРИСТИК УПРАВЛЯЕМОСТИ СУДНА ПРИ ОЦЕНКЕ ПАРАМЕТРОВ МАНЕВРИРОВАНИЯ
И.С. Горячев, Т.П. Кныш, Е.Р. Романов, А.Е. Прокофьев
Для процесса обеспечения безопасного маневрирования судно должно в течение всего времени сохранять динамику управляемости. Факторы управления должны быть соответственно в критерии безопасности и надежности судоходства. При снижении скорости в условиях параметров штормовой погоды возникает наличие системы ограниченной видимости локации и выполнении морских операций. Вопросы прогнозирования и обеспечения стабильности работы возлагаются на судоводителя. Целью исследований являлся синтез методов определения характеристик управляемости судна.
Ключевые слова: исследование потери управляемости судна, обеспечение безопасного маневрирования, число Фруда, формула Л. Прандталя.
Актуальность, цель и задачи исследований. Характеристики управляемости нормируются международными требованиями ИМО и Регистра судоходства частично, только параметры От и ш0. Другие параметры не нормируются, а при натурных испытаниях после постройки определяются лишь для углов перекладки руля 150 и 350. Обратное смещение I 3 (8) учитывается на крупнотоннажных судах, для судов средних и малых размеров его, как правило, даже не рассматривают. Причиной тому является небольшая величина данного параметра, которая соизмерима с точностью траекторных измерений.
258
При появлении внешних возмущений происходит увеличение сопротивления движению, падает скорость хода, изменяется посадка и существенно изменяются маневренных свойств судна, причем величину этих изменений судоводитель не всегда может вычислить. По этой причине значительный интерес представляет оценка влияния ветра, сопутствующего ему волнения, а также мелководья на поведение судна.
Целью исследований являлась определение методов характеристик управляемости судна
Результаты исследований. Способность судна перемещаться в условиях ветра, волнения, течения и воздействия мелководья определяется его мореходными качествами. Они придаются судну при его проектировании и постройке. Расчеты, связанные с проектированием судов сложны и выполняются специалистами кораблестроителями. Теоретическое исследование вопросов выбора оптимальной формы корпуса для обеспечения необходимой мореходности выполнены в работах Сизова В.Г., влияние мелководья на процесс движения рассмотрены в работах Воробьева Ю.Л., а динамика судового комплекса «двигатель-винт-корпус» в условиях внешних возмущений и внутренних воздействий на объект управления подробно изучены в работах Суворова П.С. Вопросы приборного контроля мореходности в судовых навигационных системах исследованы в работах Вагущенко Л.Л. Мореходные качества судна в процессе эксплуатации изменяются. Они в значительной степени зависят от загрузки судна и путем изменения распределения на нем грузов можно существенно изменять его мореходные качества. Для этого оператор должен уметь выполнять необходимые расчеты. Большинство вычислений, которые приходится выполнять оператору при решении судоводительских задач, являются приближенными, из-за допущений, которые при этом принимаются, а также приближенных значений величин, которые используются в расчетах. Алгоритмы практических расчетов для учета влияния возмущений на процесс маневрирования имеются далеко не для всех видов возмущений.
Из характеристик управляемости наиболее изучены характеристики поворотливости, а из характеристик устойчивости обычно определяются параметры зоны неустойчивости, хотя они и не приводятся в судовых документах. Методика определения постоянных времени задержки поворота и характеристик одерживания впервые была предложена автором в работе [1-2]. В качестве испытательного маневра был предложен «несимметричный зигзаг», выполнение которого позволило определить характеристики устойчивости и поворотливости. Общепринятые испытательные маневры не позволяют определить данные в полном объеме. Дифференциальное уравнение, описывающее криволинейное движение судна при отсутствии ветра и волн, можно записать в виде:
(\ dV s \ d а s \
m + Л 11 )•-cos а п - (m + Л 11 )—, п • V • sin а п + (m + Л 22 )• V
dt dt
xa • sin а п - Л 26 •a 2 = R рх + R „ + Р,
(1)
рх гх
ш
\ dV , ^d а í \
+ Л 22 )--sin оп - (m + Л 22 )." • V • cos ап + (m + ЛП )• V x
dt dt
X®' cos О" + Я26 • dt = R ру + R гу + Re, (2)
где Ре - сила упора винта; m - масса судна; Re - боковая сила винта; ап - угол дрейфа от поворота; ю -угловая скорость поворота; Дрх Дгу, Rру - поперечные и продольные составляющие гидродинамической и силы на руле; Ли, Л22 ,Л26,- присоединенные массы корпуса судна; V - текущая скорость.
Однако решение указанных уравнений не позволяет непосредственно получить требуемые параметры с необходимой точностью, из-за погрешностей в расчете угла дрейфа от поворота, угловой скорости и присоединенных масс.
По этой причине приходится использовать расчетные способы и уточнять параметры по результатам натурных наблюдений.
Для расчетов геометрических элементов циркуляции ' 2,Dr ,D относительно первоначального курса для системы обеспечения данными о маневренных свойствах воспользуемся зависимостями, приведенными в [3].
Для уточнения расчетных параметров циркуляции выполняют эксперимент и определяют значения переходных коэффициентов для каждого параметра, путем сравнения с расчетным их значением, по следующим зависимостям
= íL; = ü; = DT ; = DI. (3)
У £1 ' P 2 ' P ГиТ DP У Dy Dp
По приведенным зависимостям был составлен алгоритм определения параметров поворотливости, блок-схема которого приведена на рис. 1.
При движении в тихую погоду для удержания судна на курсе рулевой манипулирует вокруг нулевого положения, отклоняя руль на угол около 5^= 3-5°. Систему кортежа уравнений в процессе установившегося движения в рамках комплекса ограничений в виде наличии ветра:
259
Ry - Ray + Rpy = 0> (4)
Mr -Ma + Mp = 0. (5) Уравнения для моментов (5) представим структурированным набором:
Cy- Р ■ Sn • V2 ) • - {Cay • Рв • SH • W 2 )• 7a + Cpy ■ Р ■ Sp V¡ ) • lp = 0 (6) Расчет коэффициента поперечной гидродинамической силы на руле можно произвести по формуле Л. Прандтля:
C = 2Ж \5°' (7) py 1 + {2/)
где Хр - относительное удлинение руля, 5° - угол перекладки руля в градусах.
Для руля, расположенного за винтом, скорость набегающего потока можно приближенно принять равной:
Vp ={1.3 1.4) • VR. (8) С учетом приведенных зависимостей уравнение можно привести к виду:
¿ =_ 1 + (2/^р )
1,352 -Sp ■ р■ 0,5ж
I q i W2
0.25 + I -1.05 ■ sinqw -рв ■ SH ■ — +
L 360) н V2
л
_ „ £ибс a | 0.23-sina +1.09-sin2a
0.5 +-2---I—--г-—р■ Sn
L 180) (2.1-5оп - 7 T /L))
(9)
где ЦБС:
_ 1 + 2-Т,/Тк _05. (10)
* 460 3- (1 + Тн/ Тк) 0,5
Известно [4,5], что наиболее опасным с точки зрения потери управляемости, является попутный ветер при q =120°,считая 5 =35°, 5 =10°.
А А Aw max в
В качестве примера произведен расчет характеристиках поворотливости т/х «Микола Бажан» при qw=60° и 120° для состояния в грузу и в балласте, данные для расчета в верхней части табл. 2 и рис.1.
Расчет был произведен для случаев, когда относительная скорость кажущегося ветра W/Vn равна 1, 2, 3, 4. Результаты расчета приведены в табл. 2.
Зависимость между высотой развитого волнения и скоростью истинного ветра можно определить из известных соотношений [2-3]:
г _ 0.65- KE - Wu , 1.55-г2 _0.655-K2E-W2 , где г - период бега волн; 1 - длина волны; WH - скорость истинного ветра; КЕ - коэффициент роста, для развитого волнения его принимают равным 0,8. Используя соотношения между h30/ и длиной волны развитого волнения А _ (11 + 16) h3%, получим
Й3/ _ 0,03 W .
С учетом приведенных зависимостей можно представить значение: R.в y _ 4-10_4-Р-g-L-Ke y-W2 _ Ce ■W2, где Св - коэффициент возмущающей силы.
Силу гидродинамического сопротивления определяют, с учетом того, что Vy « VSF при установившемся дрейфе:
RГу _0.5-Cy-р-Sn
где С - безразмерный коэффициент поперечной гидродинамической силы; SK - площадь проекции под-
водной части корпуса судна.
Значение С можно определить по формуле предлагаемой Н. И. Анисимовой [1-3], которая для
у
-10
случая свободного дрейфа, когда а « 900, примет вид Cy « С2 . С учетом этого имеем вид:
Rl y = 0.5 ■ С2^ р^п V2p = KV2p.
Аэродинамическую силу R обычно определяют [3-5] по формуле:
ау
R = 05-C •п •W2 = K •W2.
^ay90 Нв °н ''и ли ''и
С учетом приведенных зависимостей уравнение можно записать:
_ к-у2 + (Ки + Св)-Ж2 = 0. 260
+
Начало у
гг = ер (гг к , т тев К )/2
и,"* = ' 1' го к _ "т-тек н X -57.3
1
1 -
а т
и:'' 68.8 /(11,61 Ф +
+ 1.2 -4.31)
*
5//о 100%
ь т--тек СР
ф - (Ув)
8р% + 4
ф
е\~ = 6.41-^ + 0.7 (С-0.93 ■ ........................ ■
= 5.84 ■ +0.68 -^-2.15.
Ж
гэ = ср ¥ =- (т>г;)/2 Г«-Г«.57.3 Ь
\
с , - 1 - Л 7 я. -^--100 % £ Г' ер
1
ф -
VI,, =11.73--= +1.35 ц>-3.9 Г>1р =11.61-^ + 1.2^-4.31
Уч \и\
Г о,
(V С1 - г™ ■ г ■ - 2р
/Г /У1 1Р
= 68.8/(11.61 - Ф + 1-1.2 ■ ^ - 4.31) "С
£ £ = 1
-•а II «тек . _ ° 1р ' 2 «тек
О™;^ = ТО > V я™ ю
±
а™ = г*,*?,
Т ' V
^ ^ = 6.41 • + 0.7 ^ - 0.93
(]р = 5.84--^ + О.Й8 Ч/-2Л5 "_ус'_
Коней
Рис. 1. Блок-схема алгоритма расчета характеристик поворотливости
В качестве примера в табл. 1 приведены данные о характеристиках поворотливости т/х «Джильда», рассчитанные по приведенному алгоритму.
Параметры циркуляции т/х «ДЖИЛЬДА»
Таблица 1
Угол В грузу В балласте
перекладки руля Параметр Условное обозначение Экспериментально-расчетное, корпусов Экспериментально-расчетное, кабельтов Экспериментально-расчетное, корпусов Экспериментально-расчетное, кабельтов
Выдвиг * 1 9,38 13,61 8,24 11,95
Прямое смещение * 2 9,18 13,32 7,92 11,48
50 Тактический диаметр Dт 11,50 16,67 9,94 14,42
Установившийся диаметр Dу 20,95 30,37 17,86 25,89
Выдвиг * 1 6,37 9,24 5,74 8,32
Прямое смещение * 2 5,73 8,30 5,05 7,32
100 Тактический диаметр Dт 7,29 10,56 6,45 9,35
Установившийся диаметр Dу 13,04 18,91 11,30 16,38
Выдвиг * 1 5,04 7,30 4,64 6,72
Прямое смещение * 2 4,19 6,08 3,78 5,48
150 Тактический диаметр Dт 5,42 7,86 4,9 7,11
Установившийся диаметр Dу 9,54 13,83 8,4 12,17
Окончание таблицы 1
200 Выдвиг * 1 4,24 6,15 3,98 5,76
Прямое смещение * 2 3,28 4,76 3,02 4,38
Тактический диаметр Dт 4,31 6,25 3,98 5,77
Установившийся диаметр Dу 7,45 10,80 6,66 9,66
250 Выдвиг * 1 3,70 5,36 3,52 5,11
Прямое смещение * 2 2,66 3,85 2,50 3,63
Тактический диаметр Dт 3,55 5,15 3,35 4,86
Установившийся диаметр Dу 6,02 8,73 5,48 7,95
300 Выдвиг * 1 3,30 4,78 3,19 4,63
Прямое смещение * 2 2,20 3,18 2,12 3,08
Тактический диаметр Dт 2,99 4,33 2,89 4,18
Установившийся диаметр Dу 4,97 7,21 4,61 6,68
350 Выдвиг * 1 2,99 4,33 2,93 4,25
Прямое смещение * 2 1,84 2,67 1,83 2,65
Тактический диаметр Dт 2,55 3,70 2,53 3,66
Установившийся диаметр Dу 4,15 6,02 3,93 5,70
Угловая скорость самопроизвольной циркуляции + щ = 0,12
Угол обратной перекладки руля + 5ро = 30
Таблица 2
Данные для расчета потери управляемости т/х "Микола Бажан" в балласте
Параметры Длина между перпендикулярами L=199.8
в грузу в балласте
Средняя осадка Т , м Я> 12.3 8.1
Отстояние центра парусности 1 цп -0.066 0
Отстояние центра бокового сопротивления 1 б 0 -0.04
W/V л 1 2 3 4
а 5 к 5 к 5 к 5 к
q =60° w 120° 60° 120° 60° 120° 60° 120°
1 2.1 1.4 3.1 0.4 4.7 - 7.1 -
2 4.0 3.4 5.0 2.4 6.7 0.7 9.0 -
3 6.2 5.5 7.2 4.5 8.9 2.9 11.2 0.5
10 26.5 25.8 - 24.8 - 23.2 - 20.8
Наиболее полно внутренние возмущающие факторы рассмотрены в работе Суворова П.С. В ней отмечено, что главные двигатели, установленные на судах имеют строго оговоренную номинальную мощность и связанные с ней режимные показатели. При их назначении в практике эксплуатации приходится учитывать следующие факторы колебания мощности: необходимый построечный резерв мощности при сдаче судна заказчику; допустимые колебания мощности при отклонении внешних условий от стандартных, принятых при расчетах; «утяжеление» винтовой характеристики при в эксплуатации в связи с обрастанием корпуса и винта, износом и потерей покрытия, после которых требуется до кование; необходимость снижения хода судна по техническому состоянию корпуса и величине остаточного ресурса главного двигателя; потеря располагаемой мощности двигателя в процессе эксплуатации, после чего требуется обязательная моточистка; потеря мощности и ресурса двигателя после его капитального ремонта.
Указанные факторы в совокупности влияют на мореходные качества судна и их необходимо учитывать при управлении маневрами.
Выводы. При назначении в практике эксплуатации приходится учитывать следующие факторы колебания мощности: необходимый построечный резерв мощности при сдаче судна заказчику; допустимые колебания мощности при отклонении внешних условий от стандартных, принятых при расчетах; «утяжеление» винтовой характеристики при в эксплуатации в связи с обрастанием корпуса и винта, износом и потерей покрытия, после которых требуется докование; необходимость снижения хода судна по техническому состоянию корпуса и величине остаточного ресурса главного двигателя; потеря располагаемой мощности двигателя в процессе эксплуатации, после чего требуется обязательная моточистка; потеря мощности и ресурса двигателя после его капитального ремонта.
Список литературы
1. Анализ аварийности морских судов. Одесса. 2000. Судоходство, №9. С. 12 -19.
2. Авдеев Б.А., Вынгра А.В., Черный С.Г. Исследование работы системы управления гребного электропривода автономных подводных аппаратов // Информационные технологии и вычислительные системы. 2022. № 3. С. 108-121.
З.Черный С.Г., Ивановский А.Н. Применение теории линейной фильтрации для обработки данных (на примере определения осадки морского судна) // Научно-техническая информация. Серия 2: Информационные процессы и системы. 2021. № 11. С. 23-26.
4.Черный С.Г., Соболев А.С., Зинченко А.А., Зинченко Е.Г., Чернобай К.С. Эксплуатации судового оборудования на платформе интеллектуальных систем для повышения надежности работы систем автоматики // Морской вестник. 2022. № 1 (81). С. 68-71.
5. Горячев И.С., Черный С.Г. АСУТП лоцманской проводки морских судов // Автоматизация в промышленности. 2022. № 6. С. 54-56.
Горячев Иван Сергеевич, старший преподаватель, esiap@mail.ru, Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет,
Кныш Татьяна Петровна, канд. физ.-мат. наук, заместитель начальника управления информатизации, knyshtp@sumrf.ru, Россия, Санкт-Петербург, Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова,
Евгений Романович Романов, курсант, eugeneromanov21 @yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова,
Прокофьев Артур Евгеньевич, аспирант, esiapprokofiev@mail.ru, Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет
IDENTIFICATION AND SYNTHESIS OF VESSEL CONTROLLABILITY CHARACTERISTICS IN ASSESSING
MANEUVERING PARAMETERS
I.S. Goryachev, T.P. Knysh, E.R. Romanov, A.E. Prokofiev
For the process of ensuring safe maneuvering, the ship must maintain control dynamics at all times. Control factors should be appropriate in the criteria for the safety and reliability of navigation. With a decrease in speed in conditions of stormy weather parameters, the presence of a system of limited visibility of the location and the performance of marine operations arises. Issues of forecasting and ensuring the stability of work are assigned to the navigator. The purpose of the research was the synthesis of methods for determining the characteristics of the ship's controllability.
Key words: study of loss of control of the vessel, ensure safe manoeuvring, the Froude number, the formula L. Prandtle.
Goryachev Ivan Sergeevich, senior lecturer, esiap@mail.ru, Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological University,
Knysh Tatyana Petrovna, candidate of physical and mathematical sciences, deputy head of the informatization department, knyshtp@gumrf.ru, Russia, St. Petersburg, Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping,
Evgeny Romanovich Romanov, cadet, eugeneromanov21@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping,
Prokofiev Artur Evgenievich, postgraduate, esiapprokofiev@mail. ru, Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological University
