CC BY
13УДК 656.62.052.5
А.А. Сазонов, профессор, ВГАВТ.
603950,Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5А
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МЕТОДА АВТОШВАРТОВКИ СУДОВ В КАМЕРЕ ШЛЮЗА
В статье приводятся результаты исследований возможности снижения затрат времени на швартовку судна
при помощи электромагнита, установленного на плавучем рыме шлюза
Многолетние натурные наблюдения и анализ отчетных данных прохождения судами судопропускных сооружений показал, что время прохождения судоходных шлюзов зависит от целого ряда факторов, в том числе водоизмещения и парусности судна, сложностью маневрирования в камере шлюза, гидрометеорологических условий, недостаточной квалификацией судоводителей, технической характеристики шлюза и ряда других факторов. При этом значительную долю в общих затратах времени судопропуска занимают операции захода и швартовки судна в камере шлюза, и в первую очередь крупнотоннажных судов река-море плавания.
Проводимые нами натурные исследования прохождения различными типами судов судоходных шлюзов Волго-Донского судоходного канала показали значительно большой разброс времени затрачиваемое судами даже одного и того же типа на операцию захода судна в камеру шлюза и его швартовку. Так, например, суда типа “Волгонефть” затрачивали на эту операцию время от 7,0 до 23 мин, что составляет от 15 до 52% от общего времени их прохождения через шлюз.
Поэтому вопрос уменьшения затрат времени на заход судна в камеру шлюза и его швартовку является вполне актуальным. Этого вполне можно добиться за счет применения специальных автоматизированных устройств при швартовке судна.
Решению вопросов автоматический швартовки судов уделяли внимание достаточно много авторов, в том числе Альшамовский С.Б., Андрианов Л., Самойлов Г., Дамаскин А., Тимченко И., Игнатович Э.И. и ряд других авторов.
Решением этой проблемы занимались так же ряд специалистов за рубежом. В частности, в ФРГ предпринималась попытка решения проблемы автошвартовки с помощью электромагнитов, установленных на привальном брусе судна и причале. Однако это устройство обеспечивало удержание судна у причала только в частном случае, когда судно путем маневрирования подведено к причалу вплотную. Приблизительно в это время в СССР рядом авторов было предложено устройство для автошвартовки, которое позволяет путем автоматически закрывающегося захвата (гака) соединение судна с причалом в том случае, если судно подведено местом расположения захвата вплотную к причалу и инерция судна погашена, что не всегда возможно в реальных условиях. Были сделаны и некоторые другие предложения.
Так, Дамаскин А. и Тимченко И. предложили осуществлять подачу швартового троса на причал при помощи пневматической пушки, которая так же, как и описанные выше методы не получило распространения по целому ряду причин.
Достаточно интересное предложение автоматизации швартовки в 70-х годах было предложено японскими инженерами, заключающееся в создании “механической руки” в виде “телескопической удочки”, которая может выдвигаться с судна в сторону причала до 25 м и при помощи которой швартовый трос подается на причальную стенку. Это приспособление было рассчитано на малые пассажирские суда водоизмещением до 200т.
Однако все описанные выше приспособления не приемлемы для судоходных шлюзов. Поэтому нужны системы принципиально отличающиеся от описанных выше.
Исходя из сказанного выше, нами была предпринята попытка разработать принципиально новую систему автоматической швартовки судов в судоходных шлюзах основанную на принципе действия электромагнита.
Конструктивно данная система заключается в следующем. На плавучем рыме в камере шлюза устанавливается электромагнит, который служит для подтягивания судна к рыму. После этого в судна на рым подается вручную швартовый трос и закрепляется на судне.
Параметры электромагнита определялись исходя из геометрических размеров поплавка плавучего рыма, применяемого на шлюзах ВДСК. Исходя из этого для данного электромагнита определено максимальное количество витков при использовании обмоточного провода ПЭВП 14,0 х 5,3 мм прямоугольного сечения 73,34 мм2. Оно будет равно 576 при коэффициенте заполнения 0,8.
Так как электромагнит используется для подтягивания судна к стенке камеры шлюза при его швартовке во время шлюзования, то был выполнен расчет требуемого для этой цели усилия. При этом предполагается, что судно при помощи электромагнита способно подойти к стенке шлюза при отвальном ветре, дующем под
углом 90° к диаметральной плоскости судна, т.е. при наихудшем условии швартовки. Расчетная схема приведена на рис. 1.
7^77777777777777^1777
Рис. 1. Расчетная схема для определения потребного усилия электромагнита.
В этом случае сила ветра (Ре), действующая на судно будет следующей:
С Р V2 F
Р _ ^ в± вУ в ± П
2
(1)
Fn _ hбLc
где Св = (1,1-1,2) - коэффициент учитывающий сопротивление подводной части корпуса судна;
Рв = 1,29 кг/м3 - плотность воздуха;
Vв - скорость ветра, м/с;
Fn - площадь боковой поверхности надводной части корпуса судна, равная
(2)
здесь hб - высота судна над уровнем воды, м;
Lc - длина судна, м.
При перевозке палубного груза необходимо учитывать увеличение боковой поверхности судна и уменьшение высоты борта за счет увеличения осадки. В этом случае
Fn _ Кк + КК (3)
hк - высота груза выступающего над уровнем палубы; кТ - длина трюмов.
Момент создаваемый ветровой нагрузкой будет следующим
Мв _ РвЬ (4)
где Рв - сила ветра, кН;
Ь - расстояние от мидельшпангоута до кормового перпендикуляра, м.
Момент создаваемый электромагнитом равен
МЭ _ РЭа (5)
где РЭ - сила электромагнита, кН;
а - расстояние от электромагнита до кормового перпендикуляра, м.
Момент создаваемый ветровой нагрузкой уравновешивается моментом создаваемым электромагнитом, то есть
Ме -МЭ _ РвЬ - РЭа _ 0 (6)
Тогда из уравнений моментов можно определить РЭ , которое будет равно:
Рэ _ РвЬ /а (7)
Используя данную формулу определим потребной усилие необходимое для притягивания груженого
судна к стенке при различных значениях скорости ветра. Расчеты проводились при расположении судна от стенки на расстоянии 1,0-1,2 м. Результаты расчетов приведены в табл.1.
Таблица 1 - Расчетное значение потребной силы притягивания груженого судна к стенке камеры шлюза.
Тип судна
Загрузка, т
Потребное усилие притягивания (кН) при скорости ветра (м/с)
4,0 6,0 8,0 11,0
“Волго-Дон” 5000 3,53 7,94 14,12 26,7
“Сормовский” 3000 2,67 6,01 10,09 20,1
“Окский” 1800 1,60 3,60 6,40 12,1
Таким образом, расчеты показали, что при незначительных скоростях ветра в камере шлюза усилие для подтягивания судна к стенке требуется сравнительно небольшое. При скорости ветра около 4 м/с даже для такого судна как “Волго-Дон” в груженом состоянии нужно усилие 3,5 кН при его нахождении от стенки камеры шлюза на расстоянии 1,0-1,2 м. При сильных ветрах потребное усиление возрастает в несколько раз.
При этом следует отметить, что полученное значение требуемого усиления притягивания рассчитано исходя из условий работы одного электромагнита. Однако, как известно судно швартуется в камере шлюзы всем бортом к двум рымам (в носовой и кормовой частях судна). Так как судно швартуется всем бортом, то по длине корпуса судна в зоне действия будут располагаться от 3 до 5-6 рымов в зависимости от длины корпуса судна. Тогда на швартуемое судно будут действовать одновременно несколько электромагнитов. Примерная схема их действия приведена на рис. 2.
Ра
► ^ Л
д///
Рис. 2. Схема действия на судно системы электромагнитов
Исходя их этого, общее потребное усилие распределяется на число рымов расположенных в зоне швартуемого судна. Это значит, что общее требуемое усилие можно распределить равномерно на число рымов оборудованных электромагнитами оказавшихся в зоне швартуемого судна.
Ниже приводится расчет электромагнита, который должен устанавливается на плавучем рыме.
Так как воздушный зазор между магнитопроводом и корпусом судна очень большой, то напряженность магнитного поля в воздушном зазоре при одной и той же магнитной индукции в сотни раз больше, чем напряженность в магнитопроводе, тогда:
Ш — Ш + Ш ~ Ш (8)
м вз магнитопровода вз ^ '
Ш&3 - магнитная энергия в воздушном зазоре.
Шмагнитопровода - магнитная энергия магнит°пр°в°да и корпуса судна.
Сила электромагнита, при условии неизменности магнитного потока (закон Ленца), определяется по формуле:
РЭ - (ВШ) /2 - (В2S)/ 2л0 (9)
где В - магнитная индукция;
Н - напряженность магнитного поля;
S - площадь поперечного сечения двух воздушных зазоров;
Л - магнитная проницаемость, принимаем Л =1,256х10"6гн/м.
Тогда РЭ - 0,398 -106В2S (10)
Исходя из геометрических размеров поплавка определяем максимально возможное количество витков электромагнита. При использовании обмоточного провода прямоугольного сечения ПЭВМ 14,0 х 5,3 мм, сечением 73,34 мм2 максимальное количество витков составляет 576, при коэффициенте заполнения 0,8. Для расчета принимаем: количество витков ^=550; площадь поперечного сечения двух воздушных зазоров S = 1,0 м2; длину магнитных линий Ll = 1,2 м, L2 = 0,62 м; материал магнитопровода - электротехническая сталь повышеннолегированная 1411.
Размеры поплавка плавучего рыма приняты следующие: диаметр 1250 мм; общая высота поплавка 4720 мм; надводная часть поплавка 2540 мм.
Рассчитываем показатели электромагнита создающего усилие 4000Н (для судна типа “Волго-Дон”) при описанных выше параметрах электромагнита.
Для этого определим магнитную индукцию для создания необходимого усилия РЭ = 4000Н по следующей формуле:
В = л[рЭ/0,398-106 • S (11)
В = у!4000/0,398 • 106 • 1,0 - 0,1002Ш
По закону полного тока I Uм - L • w (12)
I Uм - 0,8 • 106 • B • 2X + (L1 + L2)Нс - 160480,3
где Н - напряженность материала, которая находится по соответствующему справочнику.
Силу тока, необходимую для создания усилия притяжения 4000Н будет следующей I = IUм /w - 160480,3/550 - 291,146^
м ~ ~
Длительно допустимый ток для принятого в электромагните сечении проводника составляет 310А, т.е. электромагнит с выбранными параметрами способен создать усилие 4,0 кН.
В этом случае электромагнит, создающий усилие 4000Н, будет иметь следующие характеристики: Средняя длина витка 5,3 м;
Общая длина проводника 2915 м;
Вес электромагнита 1000 м - 616 кг;
Общий вес обмотки 1766,5 кг;
Примерный вес магнитопровода 1500 кг;
Общий вес электромагнита 3266,5 кг.
По вполне понятным причинам электромагнит весом более 3000 кг разместить на плавучем рыме невозможно. Поэтому рассмотрим вариант уменьшения веса электромагнита за счет распределения общего усилия (РЭ = 4000Н) на несколько рымов, так как описывалось выше.
Для этого примем создаваемое усилие одного электромагнита равного 600Н. Для этого электромагнита приняты следующие данные:
Высота магнитопровода 0,4 м т.е. 8 = 0,2 м2;
Количество витков = 450.
Определим магнитную индукцию для создания необходимого усилия в 600 Н.
В = 4РЭ/0,398 • 106 • S = 4600/0,398 -106 • 0,2 - 0,0868198Гл По закону полного тока I Uм - L • w I Uм - 0,8 • 106 • B • 2X + (Ц + L2)Нс - 138911,77
Силу тока необходимую для создания силы притяжения 600 Н будет:
I = IUм /w - 138911,77/450 - 308,69А
м
Длительно допустимый ток при таком сечении проводника составляет 310 А, т.е. электромагнит с выбранными параметрами способен создавать усилие 600 Н.
В этом случае электромагнит, создающий усилие 600 Н, будет иметь следующие характеристики: Средняя длина витка 1,78 м;
Общая длина проводника 801 м;
Вес проводника 1000 м - 616 кг;
Общие вес обмотки 493,41 кг.
Примерный вес магнитопровода 300 кг.
Общий вес электромагнита 793,5 кг.
Таким образом при распределении притягающего усилия по отдельным рымам и доведения его до 600 Н на один рым можно добиться значительного уменьшения веса электромагнита и доведение его до 800 кг, что вполне приемлемо для одного рыма.
Принципиальная схема установки электромагнита на шлюзовом плавучем рыме приведена на рис.3. Из нее видно, что электромагнит устанавливается на надводной части поплавка с его внешней стороны (обращенной в камеру шлюза). Его параметры: высота - 400 мм, ширина - 900 мм, толщина - 444 мм.
900
1250
У.В.
Рис. 3. Расположение электромагнита на поплавке шлюзового рыма
При этом следует отметить, что для уменьшения намагничивания поплавка электромагнит должен иметь экран по периметру электромагнита. Схема расположения экрана приведена на рис. 4. Поскольку электромагнит работает кратковременно и процесс шлюзования происходит при выключенном магните, то экран необходим только для гашения остаточного намагничивания сердечника.
Рис. 4. Схема экранного устройства электромагнита Такие электромагниты должны устанавливаться на каждом плавучем рыме шлюза.
По результатам выполненных расчетов на каждом рыме появляется дополнительная весовая нагрузка около 800 кг за счет установки на нем электромагнита. Для сохранения начальной плавучести рыма предлагается использовать противовес, монтируемый в шахте для рыма через блочное устройство. Вес противовеса должен соответствовать весу электромагнита.
По известной формуле М = Vg можно определить объем металла, из которого изготавливается противовес.
где М - масса, кг;
V - объем противовеса;
g - удельный вес (7800 кг/м3) металла.
Исходя из конструктивных особенностей плавучего рыма и шахты, по которой перемещается рым, можно подобрать соответствующие профили и размеры противовеса. Расчеты показывают, что если противовес выполнить из стали в виде плиты, то его размеры, для рассмотренного расчетного случая будут следующие:
L - 1,0 м; В - 1,0 м; Т - 0,10 м; При этом объем противовеса составит 0,1 м3. Подбирая удельный вес металла, можно получить вес плиты равный весу электромагнита (g = 7850 кг/м3).
Для удобства эксплуатации данного устройства противовес можно выполнить в виде набора отдельных пластин, небольших цилиндров или дисков.
В целом принципиальная схема конструкции плавучего рыма, оборудованная электромагнитом и противовесом представлена на рис. 5.
Блок
Рис. 5. Принципиальная схема конструкции плавучего рыма оборудованного электромагнитом с противовесом
Для того, чтобы противовес прямоугольной формы не мешал передвижению плавучего рыма и не имел перекос, необходимо предусмотреть направляющие вдоль которых он будет скользить в плоскости параллельной стенки камеры шлюза.
Таким образом, проведенные исследования показали принципиальную возможность применения предложенного метода электромагнитной швартовки судов в камере шлюза при установке на плавучих рымах соответствующих электромагнитов. Однако для внедрения данного предложения требуются более детальные исследования.
RESULTS OF RESEARCH OF POSSIBILITY OF APPLICATION ELECTROMAGNETIC METHOD OF AUTOMOORING OF COURTS IN THE SLUICE
CHAMBER A.A. Sazonov
In article results of researches ofpossibility of decrease in expenses of time for mooring of a vessel by means of an electromagnet established on a floating eye of a sluice are resulted
