CC BY
48i-methods
том 11. № 4. 2019 http://intech-spb.com/i-methods/
ВОЕННЫЕ НАУКИ
Перспективные грузоподъемные устройства с системами компенсации качки для передачи боеприпасов в открытом море
Кипер Александр Викторович
д.т.н., профессор филиала Военно-учебного научного центра Военно-морского флота «Военно-морская академия», г. Калининград, Россия, [email protected]
Давлюд Игорь Игоревич
к.т.н., преподаватель Военно-учебного научного центра Военно-морского флота «Военно-морская академия», г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ_________________________________________________________
Представлен обзор и анализ современных средств, обеспечивающих компенсацию качки, для судовых грузоподъемных устройств, их характеристики и принцип работы. Представленные грузоподъемные устройства представляют собой систему двойного назначения и могут быть использованы в военное время для передачи боеприпасов в открытом море. Приведена классификация устройств используемых для передачи грузов в море, а также виды качек. Основные фирмы-производители грузоподъемных устройств с системами компенсации качки, представленные в обзоре: MacGregor, Ampelmann, Barge Master, все они являются мировыми лидерами в своей области. В системах компенсации качки различных производителей применяются различные решения, рассмотренные в работе.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: система компенсации качки; стабилизация; грузопередающее устройство; датчик; кран; технология двойного назначения.
Передача боеприпасов с одного корабля на другой в открытом море — одна из наиболее сложных, опасных и ответственных проблем. С развитием военно-морского флота и напряженной геополитической обстановкой требующей присутствия сил ВМФ РФ в удаленных районах мирового океана, эта проблема стала особенно актуальной. Ее реализация с помощью существующих судовых кранов и средств загрузки (СЗ) сопряжена с опасностью повреждения корабля, боеприпасов или детонацией опасного груза с тяжелыми последствиями. Актуальность данной проблемы обусловливает необходимость разработки специальных средств и способов, обеспечивающих безопасную и безударную передачу боеприпасов между кораблями в открытом море.
Типовой судовой кран способен перемещать груз в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Движение груза обеспечивается совокупной работой грузовой лебедки, а также приводов наклона стрелы и поворота крана. При этом на все эти механизмы постоянно действуют нагрузки, которые, учитывая условия эксплуатации крана носят существенно динамический характер.
По источнику возникновения, существуют динамические нагрузки, вызываемые управляющими воздействиями на движение груза и возмущающими воздействиями окружающей среды. Время и место приложения этих нагрузок носит исключительно случайный характер. Например, динамические нагрузки, возникающие при подъеме, опускании, перемещении и раскачивании груза, обусловлены ускорениями его движения [1]. Возмущения, возникающие от воздействия окружающей среды, определяются текущими условиями эксплуатации — качкой кораблей и ветровыми нагрузками. Самым существенными из них являются нагрузки, возникающие вследствие качки корабля.
Движение каждого из принимающего и передающего груз кораблей, имеет шесть степеней свободы: три угловых — бортовая, килевая качки и рыскание, а также три линейных — вертикальная, продольная и поперечная качки (рис. 1).
Рис. 1. Движение корабля в процессе качки
В следствие качки передающего корабля возникают существенные ускорения груза, закрепленного на стреле крана и, следовательно — значительные динамические нагрузки. Относительные движения принимающего и передающего кораблей при качке, приводят к неконтролируемому движению точки посадки груза, что отрицательно влияет на точность его позиционирования и безопасность передачи. Результаты анализа показывают, что более опасной с позиций обеспечения безударной передачи груза, является относительная вертикальная качка кораблей. Даже при слабом волнении она может достигать нескольких метров.
Таким образом, в указанных условиях эксплуатации, на судовые краны, осуществляющие передачу грузов между кораблями, действуют значительные динамические нагрузки, обусловленные управляющими и возмущающими воздействиями. Для снижения этих нагрузок и повышения безопасности передачи грузов с одного корабля на другой в открытом море, применяют различные устройства, классификация которых представлена на рис. 2.
В данное время более распространен контактный способ передачи грузов в открытом море. Для его реализации используются различные грузовые стрелы, следящие системы, стабилизирующие грузовые лебедки и т.д. [2-5]. Однако все они имеют ряд существенных недостатков: неприемлемо большое время подготовки и выполнения погрузки; сложность и громоздкость конструкции вследствие наличия различных следящих проводников или тросов; низкая точность позиционирования груза; возможность компенсация возмущений движения груза возникающих только при вертикальном перемещении палубы.
Значительная часть продукции отечественной судостроительной промышленности в данное время изготавливается по документации, разработанной еще в конце 80х гг. Это обстоятельство в большой степени определяет низкий уровень ее конкурентоспособности. В частности, отечественной промышленностью не предлагаются автоматизированные судовые краны, обеспечивающие передачу грузов между кораблями в условиях существенных динамических нагрузок. Ввиду возникшей неудовлетворенной потребности, российский
Рис. 2. Классификация устройств используемых для передачи грузов в море
рынок стал заполняться соответствующим оборудованием иностранного производства [1]. Однако в последнее время, на поставку указанного оборудования имеющего, как известно двойное назначение, были наложены санкции со стороны США и ЕС.
Основными крупными компаниями, занимающимися разработкой и изготовлением систем для безопасной передачи грузов в открытом море, являются: MacGregor, Ampelmann, Barge Master. В основе обеспечения компенсации качки системами вышеуказанных компаний положен принцип перемещения груза в направлении и со скоростью противоположной движению основания крана вследствие качки передающего судна. Это позволяет сохранить неизменным положение груза в пространстве. Следует отметить, что в конструкции и принципах функционирования систем, предлагаемых данными компаниями, имеются некоторые отличия.
Компания MacGregor
Компания MacGregor входит в состав корпорации MacGregor и специализируется на производстве различных систем для морской отрасли, в том числе и грузоподъемных. MacGregor является признанными мировыми лидером в области грузовых и грузоподъемных решений, поэтому занимает лидирующие позиции на данном рынке. Компания выпускает как полноценные грузоподъемные краны (рис. 3а), так и дополнительные стрелы, обеспечивающие компенсацию качки по трем степенями свободы, устанавливаемые на уже существующие краны (рис. 3б).
В системе компенсации качки от MacGregor при передаче груза с судна на судно в открытом море используют датчик динамического перемещения, расположенный на палубе второго судна (рис. 4).
Он измеряет параметры абсолютного движения принимающего судна в пространстве и через беспроводную связь передает их в систему управления движением груза, установленную на кране передающего судна. Учитывая данные движения обоих судов, система вырабатывает сигналы для управления грузовой лебедкой (рис. 5) и другими исполнительными механизмами стрелы крана, чтобы:
Рис. 3. Судовой кран MacGregor: а — кран без компенсации качки; б — дополнительная стрела для компенсации качки
Рис. 4. Судовой кран MacGregor с устройством компенсации качки посредством датчиков динамического перемещения судов, во время передачи грузов в море
- минимизировать движение груза относительно точки посадки его на принимающем
судне;
- обеспечить точность при захвате, подъеме, перемещении груза и его безударной погрузке на палубу принимающего судна.
Компенсация вертикальной качки реализуется путем наматывания (сматывания) троса на барабан лебедки, управляемый гидро- или электромотором.
Благодаря системе компенсации от MacGregor значительно повышена производительность грузовых операций, а также обеспечен высокий уровень безопасности для экипажа,
Рис. 5. Грузовая лебедка судового крана MacGregor
работающего в районе погрузки. Все движения крана выполняются точно, быстро, плавно и в автоматическом режиме, что позволяет освободить оператора крана от наиболее ответственных этапов погрузки. Система также определяет максимально возможную массу и габаритный размер груза, который можно безопасно грузить при данных погодных условиях и волнении моря.
Компания Ampelmann
Компания Ampelmann специализируется в основном на изготовлении грузовых устройств для безопасной передачи людей и грузов в открытом море. В 2005 г. компанией была запатентована система, а уже через год был собран и удачно испытан первый образец. С помощью первого серийного устройства (А-type) в 2008 г. была осуществлена безопасная высадка людей на нефтяную платформу Р-14А в Северном море. В основу большинства устройств данной компании легла платформа Стюарта — это разновидность параллельного манипулятора, в которой используется октаэдральная компоновка стоек с шестью степенями свободы [6]. При управлении манипуляторами и динамическими стендами параллельной структуры с шестью степенями свободы формирование задающих воздействий осуществляется по шести координатам (три линейных перемещения и три вращения) одновременно. Подвижная платформа может принимать различную пространственную ориентацию и одновременно смещаться в системе координат неподвижного основания. Управление механизмом происходит при одновременном изменении длин в телескопических приводах (гидроцилиндрах) и соответствующего изменения углов их наклона к основанию [7].
Модельный ряд устройств Ampelmann насчитывает более десяти, но рассчитанные не только на передачу людей, но и грузов, являются: А-type, Е-1000, Е-8000 (рис. 6), Atlas, основные характеристики которых:
- степеней свободы платформы 6;
- грузоподъемность 400-65000 кг;
Рис. 6. Платформа Ampelmann Е-8000, установленная на судне
- максимально допустимая высота волны 3-4,5 м;
- длина стрелы 25-30 м;
- вылет стрелы 5,5-6,5 м;
- масса установки 38-105 т;
- минимальная длина корабля 55-90 м.
Грузовые устройства компании Ampelmann полностью компенсируют качку судна в 6 степенях свободы, что обеспечивает стабильное положение стрелы крана. Системы доказали свою эффективность и используются в более 100 проектах по всему миру.
Компания Barge Master
Компания Barge Master представляет различные системы компенсации качки, интегрированные в корабельные грузоподъемные устройства. Системы Barge Master разрабатываются в тесном сотрудничестве с такими партнерами, как Bosch Rexroth и дочерней компанией Temporary Works Design (TWD). Компания представляет комплексный подход к оснащению кораблей и судов необходимым технологичным грузопередающим оборудованием, таким как: грузоподъемный кран BM-T40, многоцелевая платформа BM-T700, трап BM-Gangway и вертолетная площадка BM-MCH (рис. 7). Все представленное оборудование имеет системы компенсации качки.
Рис. 7. Комплексное оснащение судна системами Barge Master: 1 — грузоподъемный кран BM-T40; 2 — многоцелевая платформа BM-T700; 3 — трап BM-Gangway; 4 — вертолетная площадка BM-MCH
Грузоподъемный кран BM-T40 (рис. 8) предназначен для судов технического обслуживания и обеспечивает работу в тяжелых морских условиях. Основные технические характеристики крана:
- число степеней свободы 6;
- грузоподъемность 15 т при вылете стрелы 10 м и 5 т при вылете стрелы 20 м;
- высота подъема груза (от палубы) 35 м;
3
- максимально допустимая высота волны 3 м;
- период волн 4-18с;
- габариты крана: 4,8 м х 3,7 м х 8,3 м;
- масса установки 35 т.
Система компенсации возмущений грузоподъемного крана T40 построена в его тумбе-основании (на рисунке выделена синим цветом). Она состоит из трех вертикально установленных гидравлических цилиндров и линейного направляющего механизма кинематически соединенного между палубой корабля и основанием крана.
Бортовая и килевая качка судна компенсируются двумя вертикально установленными гидравлическими цилиндрами, которые компенсируют движения между основанием крана и палубой корабля. Цилиндры прикреплены к внешней части основания и удерживают его в вертикальном положении. Движение качания компенсируется третьим гидравлическим цилиндром, расположенным внутри основания крана.
Учитывая сказанное выше можно заключить, что имеющиеся на отечественных судах обеспечения грузоподъемные системы не удовлетворяют требованиям безопасной передачи боеприпасов в море, неэффективны и морально устарели. Для обеспечения передачи боеприпасов между кораблями в удаленных районах мирового океана необходимы отечественные грузоподъемные устройства с системами компенсации качки и стабилизации положения груза.
Литература
1. Георгиев А. А., Васильев И. Н. Пути повышения качества грузообработки в открытом море путем оснащения судов кранами перспективных конструкций // Морской вестник. 2014. № 4(52). С. 41-44.
2. Горшков И. А., Махорин Н. И. Передача грузов в море. Л.: Судостроение, 1977. 256 с.
3. Бачище А.В., Махорин Н. И. Передача грузов в море. Мурманск: Кн. изд-во, 1991. 103 с.
4. Богданов А.М. Передача грузов кораблям на ходу. M.: Воениздат, 1964. 96 с.
5. Бачище А.В., Махорин Н.И. Перспективы применения новых способов передачи грузов в море // Сборник докладов V-й научно-технической конференции по развитию флота рыбной промышленности и промышленного рыболовства социалистических стран. Л.: МИНРЫБХОЗ СССР, 1978, 11 с.
6. Stewart D. A platform with six degrees of freedom // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 1965. Vol. 180. No. 15. Pp. 371-385.
7. Александров В. В., Локшин Б. Я., Л. Гомес Е. Л., Салазар И. Х. Стабилизация управляемой платформы при наличии ветровых возмущений // Фундамент. и прикл. матем. 2005. Т. 11. Вып. 7. C. 97-115.
PROMISING HOISTING DEVICES WITH PITCH COMPENSATION
SYSTEMS FOR THE TRANSFER OF AMMUNITION ON THE HIGH SEAS
ALEKSANDR V. KIPER, PhD, Professor of the Branch Military Educational and Scientific
Kaliningrad, Russia, [email protected] Center NAVY "Naval Academy"
IGOR I. DAVLYUD, PhD, lecturer of the Military Educational and Scientific Center NAVY
Saint Petersburg, Russia, [email protected] "Naval Academy"
ABSTRACT
Review and analysis of modern means providing roll compensation for ship lifting devices, their characteristics and the principle of operation is presented. The presented lifting devices are a dual-purpose system and can be used in wartime for the transfer of ammunition on the high seas. The classification of devices used to transfer cargo to the sea, as well as the types of qualities are given. The main manufacturers of lifting devices with pitch compensation systems presented in the review: MacGregor, Ampelmann, Barge Master, all of them are world leaders in their field. In roll compensation systems of various manufacturers, various solutions are considered, which are considered in the work.
Keywords: pitching compensation system; stabilization; load transfer device; sensor; crane; dual purpose technology.
REFERENCES
1. Georgiev A. A., Vasil'ev I. N. Puti povysheniya kachestva gruzoobrabotki v otkrytom more putyom osnashcheniya sudov kranami perspektivnykh konstruktsiy [Ways to improve the quality of cargo handling on the high seas by equipping vessels with cranes of advanced designs]. Morskoj vestnik [Sea messenger]. 2014. No. 4 (52). Pp. 41-44. (In Russian)
2. Gorshkov I. A., Mahorin N. I. Peredacha gruzov vmore [Transfer of goods at sea]. Leningrad: Sudostroenie, 1977. 256 p. (In Russian)
3. Bachishche A. V., Mahorin N. I. Peredacha gruzov v more [Transfer of goods at sea]. Murmansk: Kn. izdatel'stvo, 1991. 104 p. (In Russian)
4. Bogdanov A. M. Peredacha gruzovkorabliam na khodu [Cargo transfer to ships on the go]. Moscow: Voenizdat, 1964. 96 p. (In Russian)
5. Bachishche A. V., Makhorin N. I. Perspektivy primeneniya novykh sposobov peredachi gruzov v more [Prospects for the application of new methods of cargo transfer to the sea]. Sbornik dokladov V nauchno-tekhnicheskay konferentsii po raz-vitiyu flota rybnoy promyshlennosti ipromyshlennogo rybolovstva sotsialisticheskikh stran [Proc. of the V scientific and technical conference on the development of the fleet of the fishing industry and industrial fishing of socialist countries]. Leningrad, 1978. 11 p. (In Russian)
6. Stewart D. A platform with six degrees of freedom. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 1965. Vol. 180. No. 15. Pp. 371-385.
7. Aleksandrov V. V., Lokshin B. Ia., Gomes E. L., Salazar I. Kh. Stabilizatsiia upravliaemoi platformy pri nalichii vetrovykh vozmushchenii [Stabilization of a managed platform in the presence of wind disturbances]. Fundament i prikl matem [fundamental and applied mathematics]. 2005. Vol. 11. No. 7. Pp. 97-115. (In Russian)
