Удосконалення технології і умов перевезення навалочних вантажів транспортними суднами

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення технології і умов перевезення навалочних вантажів транспортними суднами

Кубишкін Сергій Вікторович

Одеса - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник, доцент

Савчук Віктор Дмитрович,

Одеська національна морська академія,

начальник науково-дослідної частини, доцент кафедри морських перевезень

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор

Зайцев Володимир Васильович,

Національний університет кораблебудування ім. адмірала Макарова,

завідуючий кафедрою морських технологій.

кандидат технічних наук

Васьков Юрій Юрійович,

Одеський морський торговельний порт,

перший заступник начальника порту.

Захист дисертації відбудеться 19 лютого 2009 року об 11.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 1, зал засідань вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національої морської академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 2.

Автореферат розісланий 16 січня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

д.т.н., профессор Тарапата В.В

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження пов'язана з тенденцією зростання долі (більше 50%) вантажопотоків навалочних вантажів на світовому ринку, а також через порти України.

Балкерний флот, який транспортує ці вантажі, через негоду, зміщення вантажу у 30% аварійних випадках втрачають морехідність, а, іноді, і плавучість.

Ґрунтуючись на гостроті протиріч між фактами дійсності і науки, слід зазначити, що основними стримуючими факторами подальшого розвитку наукових досліджень по зниженню аварійності балкерного флоту є обмаль інформації з аналізу причин загибелі балкерів, наявність методичної бази наукових досліджень з технології перевезень навалочних вантажів виключно прогностичного характеру, відсутність за останні 20 років наукових робіт по дослідженню стану та удосконаленню технологічних процесів з вантажем під час морських перевезень.

Недостатня цілеспрямованість досліджень в елементі транспортної системи „судно - вантаж - навколишнє середовище” стримує підвищення ефективності операторської діяльності екіпажу балкера по забезпеченню якості перевезень більшості народно-господарчих і виробничих товарів масового споживання і вимагає продовження досліджень по енергетичному впливу навалочного вантажу на безпеку судна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Важливість проведення досліджень в області безпеки морських перевезень, збереження суден та вантажу підтверджується рядом урядових постанов та концептуальних рішень, таких як „Концепція безперервної національної транспортної політики розвитку усіх видів транспорту на 2007-2014 роки” (наказ МТЗ України від 5.05.2007 року, № 360), державна програма „Вдосконалення функціонування державної системи забезпечення безпеки судноплавства на 2002-2006 роки” (постанова КМ України від 28.01.2000 року, № 96). Наукові дослідження виконувались згідно тематики держбюджетних НДР „Удосконалення методів безпечного судноводіння у складних умовах плавання”, ДР № 0103U006406, та „Підвищення безпеки управління суднами під час морських перевезень”, ДР № 0106U002117, в яких автор виконував дослідження по окремим розділам.

Мета і задача дослідження. Метою дослідження є забезпечення умов збереження вантажу і безпеки судна під час перевезень балкерами навалочних вантажів.

Робочою гіпотезою дослідження є теза про те, що під час перевезення навалочний вантаж мусить накопичувати мінімум внутрішньої енергії.

Головна задача - оптимізація технологічних процесів перевезення навалочного вантажу, яка передбачає дослідження на екстремум цільової функції у вигляді коефіцієнту запасу стійкості вантажу і мінімізацію виробітку ним теплової енергії.

Допоміжними задачами дослідження стали:

аналіз процесу усадки сипучого вантажу;

аналіз стійкості вантажу в системі „судно - вантаж („прошарок”, „важкий стержень”) - зовнішнє середовище” при бортовій хитавиці;

дослідження процесу зміщення вантажу при поперечних гармонічних коливаннях макету трюму судна виготовленого по типу „ємність”;

дослідження процесу самонагрівання режимного вантажу під час перевезення;

розробки методики визначення амплітуди бортової хитавиці під час руху судна; судно перевезення навалочний вантаж

розробки рекомендацій по підвищенню ефективності технологічних процесів перевезення навалочних вантажів.

Об'єктом дослідження став процес морського перевезення навалочного вантажу.

Предмет дослідження представлений технологічними процесами: усадки, стійкості, зміщення та саморозігріву навалочного вантажу.

Методи дослідження:

дедукції - при здійсненні інформаційного пошуку;

системного аналізу - при виборі теми, задач дослідження та його технології;

математичного та геометричного аналізу - при розробці робочих схем і створенні математичних моделей стану та поведінки навалочного вантажу;

планування експерименту та обробки статистичних даних - при проведенні лабораторних і виробничих досліджень;

математичного та фізичного моделювання - при дослідженні технологічних процесів;

оптимізації - при дослідженні цільової функції на екстремум.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що ціль дослідження досягається оперативним управлінням технологічними процесами, яке забезпечує навалочному вантажу на протязі рейсу мінімальний приріст і накопичення внутрішньої енергії.

Оптимальним є режим руху судна при амплітудах бортової хитавиці, які забезпечують коефіцієнт запасу стійкості вантажу на рівні не нижче 1,2.

В результаті досліджень вперше встановлено:

початкова стійкість штабеля з сипучого середовища визначається геометричним розташуванням часток, їх діаметром та шириною трюму, коефіцієнт щільності вантажу знаходиться в межах відн. од., інтенсивність усадки пропорційна навантаженню, вектор сумарної сили якого співпадає з вектором сили ваги, а термін дії навантаження обмежений граничною міцністю часток або постійністю дисперсності вантажу;

поверхнева стійкість сипучого вантажу при бортовій хитавиці та ударних навантаженнях на судно визначається пружно-в'язкими силами вантажу і „прошарку”, дія яких обмежена кутом природного укосу вантажу;

маса вантажу, який зміщується, при регулярній бортовій хитавиці судна, прямо пропорційна куту пересипання, амплітуді і періоду коливань, аплікаті центру ваги і зворотно-пропорційна масі вантажу, а її співвідношення до маси пересипаного ідеально-сипучого середовища менше одиниці;

в умовах повної герметизації атмосфери трюмів від атмосфери судна температура вугілля залежить від співвідношення концентрацій кисню та вуглекислого газу : при ? спостерігається пониження, а при ? підвищення температури атмосфери трюмів.

Практична значимість отриманих наукових результатів полягає у тому, що завдяки їм забезпечено підвищення ефективності технологічних процесів від попереднього зволоження вантажу: в умовах вертикальної хитавиці судна за рахунок усадки на 40% (з 30% до 70%), стійкість поверхневого прошарку вантажу за рахунок збільшення кута природного укосу - до 50%. Розроблені методики визначення оптимального режиму руху судна і його статичної остійності за результатами лабораторних досліджень по зміщенню вантажу. Реалізація наукових та практичних рішень дисертації на балкері „MINERAL CHINA” в рейсі з порту Річардс Бей (Південна Африка) до порту Таррагона (Іспанія) з ходовим часом 20 діб при перевезенні вугілля в умовах повної герметизації трюмів дозволило скоротити витрати електроенергії на вентиляцію трюмів біля 1100 кВт?ч (акт від 02.03.2006 р.).

В рейсі балкера „MINERAL TIANJIN” застосування методики визначення максимальної амплітуди бортової хитавиці забезпечило утримання запасу стійкості сипучого вантажу на рівні 1,2 шляхом вибору швидкості судна та курсового кута хвилювання з корекцією безпечного маршруту плавання за погодними умовами (акт від 21.02.2007 р.).

Результати дисертаційної роботи впроваджені та використовуються у:

- державному підприємстві Одеський морський торговельний порт (м. Одеса) - при виконанні робіт по контролю за природною втратою вугілля марки „Г” і екологічним навантаженням при його зберіганні на виробничо-перевантажувальному комплексі № 5 (акт від 22.01.2008 р.);

- державному підприємстві морський торговельний порт Южний (м. Южний) - методики визначення фізичних властивостей вантажів та їх підготовки до завантаження, кута природного укосу експортованного вугілля і методики визначення природних втрат вугілля при його знаходженні у штабелях на відкритих площадках порту (акт від 11.02.2008 р.);

- експедиторській компанії DIAMANT (м. Миколаїв) - методика по збільшенню кута природного укосу експортованих з Миколаївського морського торгового порту російського вугілля марок ГПК, ССПК, ССОП, ССОМСШ, ГОМСШ, ДГОМСШ, а також методика планування маршрутів плавання балкерів з урахуванням запасу стійкості сипучого вантажу, а використання цих методик забезпечило зниження ризику зміщення сипучого вантажу (вугілля) при трансокеанських перевезеннях (акт від 18.12.2008 р.);

- іноземному підприємстві „Південна Стівідорінг Компані Лімітід”

(м. Миколаїв) - методика прогнозу підвищення кута природного укосу експортного вугілля Кузбасу при його завантаженні на вугільному терміналі (причали №№ 9, 10 порту Миколаїв), спосіб зберігання режимного вантажу шляхом повної герметизації трюмів з контролем газового складу атмосфери і температури вантажу, а використання методик дозволило розширити область можливих маршрутів безпечного руху балкерів і знизити експлуатаційні витрати на вентиляцію трюмів (акт від 19.12.2008 р.);

- ОНМА - у навчальному процесі - лекціях по дисципліні „Управління роботою флоту та технологія перевезення вантажів” та НДР: № ДР 0103U006406, № ДР 0106U002117 (акти від 12.02.2008 р. і 14.02.2008 р.).

Особистий внесок здобувача в отриманні нових результатів полягає у самостійному одержанні наукових результатів, особисте, без співавторів, здійснення інформаційного пошуку, теоретичних розробок, постановки і здійснення лабораторних та виробничих експериментів з подальшою обробкою експериментальних даних, впровадженні результатів роботи у виробництво та навчальний процес.

Апробація результатів дисертації здійснена на науково-технічних та науково-методичних конференціях Одеської національної морської академії:

„Стан та проблеми судноводіння” (24-26 жовтня 2005 р.);

„Інтегровані комплекси транспортних засобів та безпека судноплавства” (23-24 травня 2006 р.);

„Підвищення безпеки управління суднами під час морських перевезень” (10-11 жовтня 2007 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 4-х статтях наукових видань рекомендованих ВАК України для публікації результатів дисертацій і в матеріалах 3-х конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури та 6 додатків. Вона викладена на 246 сторінках, з яких 148 сторінки, які відповідно до вимог ВАК України становлять припустимий обсяг дисертаційної роботи, 25 рисунків на 11 сторінках, 22 таблиць на 3 сторінках та списком використаних джерел, який включає 62 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі здійснено огляд літератури по проблемам морських перевезень навалочних вантажів. На цьому етапі дослідження застосований метод дедукції, згідно якого, по-перше, розглянуто загальну динаміку оберту вантажів у морських портах України і встановлено домінуючий відсоток (50%) навалочних вантажів, а, по-друге, визначено їх загальні транспортні властивості, що негативно впливають на внутрішню і зовнішню безпеку судна.

Інформаційний пошук стосувався: сучасного стану морських перевезень навалочних вантажів, особливо енергоносіїв; конструктивної досконалості балкерів; нових технологій перевезення і наукових досліджень по забезпеченню безпеки балкерів.

Небезпека від вантажу пов'язана з ризиком: зміщення, розріджування і перетікання вантажу до борту з утворенням крену судна; самонагрівання і самозаймання; шкідливою і небезпечною загазованістю атмосфери трюмів та судна; порушення місцевої та поздовжньої міцності, прискореної корозії корпусу судна, його механізмів і систем з утворенням поривчастої хитавиці.

За офіційними даними Р&I клубів втрата плавучості балкерів виключно від зміщення вантажів досягає 3%, у поєднанні з негодою - 15%, а з додатковим порушенням герметичності корпусу судна - 30%.

На теперішній час і у перспективі до 2020 року домінуюча роль (до 65%) серед енергоносіїв, що транспортуються морським транспортним флотом, належить вугіллю. Прогноз світового споживання вугілля у 2020 році передбачає збільшення його обсягів у 1,25 рази у зрівнянні з 2007 роком (5,5?109 т).

Українські морські торгові порти у загальному щорічному вантажообороті за 2007 рік обсягом 109,0402?106 т здійснили перевалку 57,6338?106 т навалочно-насипних вантажів, з яких 26% (15,0559?106 т) вугілля, в тому числі 19% (11,0135?106 т) із Росії.

Динаміка експлуатаційних характеристик балкерів показує, що попит на балкерний тоннаж до 2010 року по усім типам суден зросте у середньому на 20%, але фактичний тоннаж балкерного флоту буде складати до 60?65 % від загального попиту на ці перевезення. Літературні спостереження показують, що морський флот України балкерів не має, хоча потреба в балкерному тоннажі очевидна.

Зовнішні фактори безпеки балкерів пов'язані з: додатковим конструктивним підсиленням перегородки у трюмі № 1 для балкерів з довжиною корпуса вище 150 м; обладнанням детекторами доступу води для виявлення підвищення рівня води у вантажних відсіках і просторі перед таранною перегородкою; знаходженням у постійні готовності устаткування для дренажу і відкачки води із трюмів та баластних ємностей у відсіках судна перед таранною перегородкою; контролем за наявністю води і відкачкою її із лляльних колодязів трюмів; обпресуванням танків баластними водами, особливо розташованих в центральній частині судна, відразу після їх вивільнення від палива.

Внутрішні фактори безпеки балкерів обумовлені фізично-хімічними властивостями навалочних вантажів. Тому балкери конструктивно об'єднали усі достоїнства вуглевозів, рудовозів і зерновозів та представляють однопалубні судна з високою мірою розкриття палуби й великою кількістю люків, ширина яких складає 65?85% від ширини судна. Вони остійні, а це призводить до різкої хитавиці, в результаті чого навалочні вантажі можуть зміщатися.

Технологією завантаження балкера навалочними вантажами передбачається повне заповнення трюмів у середній частині судна при наявності вільних поверхонь над вантажем. Великі пусті простори рекомендується робити у кінцевих частинах судна, де, в наслідок більш гострих обводів, усяке зміщення менш за все небезпечно. Наявність низького надводного борту потребує приділяти увагу метацентричній висоті і остійності судна при великих кутах крену.

Для уникнення самозаймання вугілля передбачена активна вентиляція трюмів, але натурні дані по результатам кондиційності перевезень навалочних вантажів відсутні. За останні десятиріччя технологія і умови перевезення навалочних вантажів істотних змін не зазнали.

В літературі є ряд інженерних методик прогностичного характеру для розрахунку умов не зміщення вантажів, в яких використані методи механіки ґрунтів і теорії корабля.

Методики розроблені М.Є. Барановським, В.В. Гарькавим,

Л.Н. Бєлоусовим і Я.Г. Корховим, В.І. Коробцовим, В.І. Снопковим,

В.К. Рябченко, які використовують відомий в механіці ґрунтів принцип - для кожної припустимої поверхні ковзання розглядається рівновага лежачої вище частини вантажу з урахуванням інерційних навантажень і визначається коефіцієнт запасу стійкості, як відношення утримуючих сил вантажу до зрушуючих.

Методики, запропоновані В.Г. Сізовим і Є.К. Клименко, базуються на ствердженні, що здіймана вільна поверхня навалочного вантажу зернового і порошкоподібного типів підпадають під категорію ідеально сипучих при імітації бортової хитавиці. Найбільш адаптованою до морських перевезень навалочних вантажів є програма розрахунку стійкості балкерів по емпіричним формулам для плоскої форми поверхні навалочного вантажу у вигляді коефіцієнту запасу стійкості вантажу розроблену Українським НДІ морського флоту:

,(1)

де ; ; ; емпіричні коефіцієнти; амплітуда бортової хитавиці судна, град.; С - коефіцієнт зчеплення вантажу, тм-2; Т - період хитавиці, с; В - ширина трюму, м; питома вага вантажу, який завантажується, тм-3; Н - висота здіймання поверхні вантажу над центром ваги судна, м; rx - напіввисота хвилі, м; с - кут статичного тертя вантажу, град.

„Слабким містом” методологічної бази по вивченню і дослідженню поведінки навалочного вантажу є відсутність фізично обґрунтованих або натурних динамічних характеристик процесів усадки, стійкості і зміщення вантажу.

Дослідженням названих процесів займались П.М. Міклашевський, Є.М. Купріянов, І.І. Карнауров, В.В. Соколовський, Г.О. Генієв та інші, які розробили математичні моделі та розрахункові схеми сипучого середовища представленого у вигляді системи фізичних точок або рідини. Відомі моделі розмірного і безрозмірного зернистого середовища для задач на площині і у просторі, які визначають нормальні та дотичні напруги, вертикальні та горизонтальні переміщення як результат інтегрування відповідних диференціальних рівнянь з теорії будівельної механіки. Ці моделі і розрахункові схеми потребують адаптації до задач дослідження транспортних процесів.

У другому розділі на засадах теорії вибору по характерним признакам: важливість, актуальність, наукова новизна, економічна ефективність, відповідність основним напрямкам наукової спеціальності та реалізуємості наукових результатів, сформовано тему дослідження, виділено об'єкт і предмет дослідження.

Використовуючи системний підхід, як замкнутий цикл наукового пізнання від цілі до наукового положення, сформульована ціль і поставлені задачі наукового дослідження. Для реалізації цілі видвинута гіпотеза з наступними припущеннями і ствердженнями: до технологічних процесів перевезення навалочного вантажу відносяться: усадка, поверхневе утримання, зміщення і самонагрівання; на гравітаційну складову потенційної енергії вантажу, яка негативно діє на остійність судна, впливають процеси усадки і зміщення під впливом хитавиці; на процес самонагрівання впливає відсоткова концентрація кисню; під час пересипання вантаж поводить себе як ідеально-сипуче середовище; існують граничні умови зовнішніх впливів, до яких навалочний вантаж не становить загрози безпеці балкера.

Головна задача дослідження - оптимізація технологічних процесів перевезення навалочного вантажу передбачає дослідження на екстремум функції представленої виразом (1) з урахуванням результатів рішення допоміжних задач дослідження, яка використовується для обмеження приросту і накопичення вантажем потенційної енергії.

Згідно системного аналізу, рішенню головної задачі дослідження передують п'ять допоміжних задач, пов'язаних з дослідженням технологічних процесів при взаємодії вантажу з корпусом балкера і навколишнім середовищем, для створення методологічної бази наступних наукових досліджень.

Так в першій допоміжній задачі досліджується процес усадки сипучого навалочного вантажу направлений на встановлення відповідних фізичних залежностей для визначення сил і переміщень часток вантажу при накопиченні потенційної енергії стискання, розчіплювання, а також гравітації при зміні висоти штабеля.

На цьому етапі дослідження доцільно задіяти геометричні методи і методи математичного аналізу.

Науковим результатом рішення цієї задачі є методика визначення параметрів стану і характеристик процесу усадки при вертикальній хитавиці.

Дослідження другої допоміжної задачі присвячене аналізу можливості накопичення потенційної енергії вантажем під час бортової хитавиці. При дослідженні приділяється увага характеру взаємодії елементів „судно - вантаж” під дією гармонічних та ударних сил з боку хвиль. Вантаж планується представляти у вигляді „прошарок - тяжкий стержень”, де „прошарок” виглядає як пружно-в'язке середовище, а „тяжкий стержень” - тверде тіло, як і корпус судна.

Очікується, що в результаті рішення другої допоміжної задачі буде виявлено роль пружно-в'язких сил „прошарку” при дії на корпус судна гармонічних і ударних навантажень.

Для дослідження задачі доцільно скористатися теоремою про кінетичний момент системи по відношенню до нерухомої точки, розташованої у початку координат центру ваги та методом математичного моделювання.

Дослідження третьої допоміжної задачі направлені на визначення характеру зміщення полідисперсного вантажу під впливом гармонічних коливань і відповідності його ідеально-сипучому середовищу, встановлення кількісних показників процесу зміщення, що характеризують вплив на остійність судна.

У зв'язку з обмаллю експериментальних даних по зміщенню сипучих навалочних вантажів і важливості їх для безпеки судна, прийняте рішення про розробку і створення лабораторної моделі по типу «ємність» з імітатором трюму балкера у масштабі 1:100 відносно площини мідель-шпангоута судна, з аналогічним співвідношенням до розміру дисперсного дослідницького матеріалу - кам'яного вугілля. Фізична подібність модельного процесу зміщення вантажу забезпечується ідентичністю реальному. Для достовірності результатів вибраний метод планування факторного експерименту.

Науковим результатом рішення третьої допоміжної задачі буде встановлення характеру поведінки вантажу, визначення маси і форми його частки, яка зміщується, для подальшого використання у рішенні задачі остійності судна, пов'язаної зі зміщенням центру ваги.

Четверта допоміжна задача вирішує питання зменшення приросту теплової енергії у масі вантажу, пов'язану з самонагріванням, під час морського перевезення. Для вирішення поставленого питання передбачено здійснення виробничого експерименту за допомогою методу прямих вимірювань фізичних величин.

Результатом рішення цієї задачі повинний стати новий технологічний процес збереження режимного навалочного вантажу.

П'ята допоміжна задача вирішує питання встановлення взаємозв'язку між амплітудою бортової хитавиці та елементами руху судна при різних станах водної поверхні.

Методичною базою для її рішення становлять розділи хитавиця та хвилювання з теорії корабля.

Результати рішення п'ятої допоміжної задачі у вигляді розрахункових схем використовуються при переплануванні маршрутів руху судна з урахуванням запасу стійкості вантажу.

Рішення головної задачі доцільно здійснити традиційними методами варіаційного обчислення.

Науковим результатом рішення головної задачі є визначення оптимального діапазону амплітуд бортової хитавиці судна, який забезпечує гарантовану стійкість навалочного вантажу і, відповідно, морехідну безпеку балкера на ходу.

Застосування результатів теоретичних досліджень в оперативній діяльності екіпажу балкера заплановано шляхом їх перевірки в рейсах балкерів, а адаптація результатів лабораторних досліджень - розробкою методик інженерних розрахунків характеристик статичної остійності судна.

Практична цінність роботи полягає у розробці математичних моделей, методик і розрахункових схем при експлуатації балкерів.

Наукове положення дисертаційного дослідження полягає у тому, що оптимальними технологічними процесами є ті, які забезпечують навалочному вантажу на протязі рейсу мінімум приросту і накопичення енергії.

У третьому розділі здійснені теоретичні і лабораторні дослідження процесів усадки, утримання і зміщення сипучого вантажу для розробки і удосконалення методологічної бази в операторській діяльності при експлуатації балкерів.

Перша допоміжна задача стосується розробки методики визначення показників стійкості процесу усадки вантажу під дією сил.

Вантаж представлений моделлю дискретно-ізотропного однорідного середовища з часток середнього (еквівалентного) діаметру, які на площині мають форму циліндра, а у просторі - кулю.

Шляхом геометричних побудов визначена пористість сипучого вантажу, як відношення площини або об'єму пустот до відповідних параметрів часток:

без навантаження,(2)

з навантаженням (статичним),(3)

де d, B - діаметр часток, ширина трюму; С, А, а - фізичні емпіричні константи упаковки вантажу; Рп, Р - початкова і статична напруга.

Відносна деформація упаковки, яка змінює потенційну енергію упаковки виражається диференціальним рівнянням:

(4)

У виразі (4) L - жорсткість сипучого тіла; Рs - напруга руйнації частки; Hmax - початкова висота штабелю.

Встановлені межі (?) для задач: на площині ; в об'ємі , які залежать від кількості контактних зв'язків між частками. Визначений модуль деформації сипучого тіла, як похідна жорсткості тіла відносно його деформації:

.

При вертикальних гармонічних коливаннях судна на упаковку діє сила , де - частота і початкова фаза коливань навантаження; Р0 - вага штабеля. Переміщення вантажу для задач в об'ємі:

Права частина рівняння - це функція розподілу амплітуд в середині сипучого середовища, яка визначається із звичайного неоднорідного диференціального рівняння 2-го ступеня:

.

Для його рішення застосоване інтегральне перетворення Фур'є. Після чого дійсні напруги в середині сипучого середовища за допомогою зворотного перетворення Фур'є мають вигляд:

(5)

Математична модель процесу деформації вантажу вирішена лише теоретично і потребує методичного забезпечення для її застосування у подальших дослідженнях.

Друга допоміжна задача досліджує процес утримання навалочного вантажу при бортовій хитавиці шляхом аналізу математичної моделі системи „корпус судна - вантаж („тяжкий стержень” - „прошарок”)”, яка відображає фізичну модель двох процесів можливого зміщення: окремих поверхневих часток вантажу і частини раніш монолітного об'єму. Така фізична модель була запропонована М.Є. Барановським.

При розробці математичної моделі системи прийнято до уваги, що при бортовій хитавиці приріст потенційної енергії вантажу спостерігається при підвищенні висоти штабеля у одного з бортів над рівнем водної поверхні, яке дорівнює , де Zg - апліката центру ваги вантажу. Для цього використана теорема про кінетичний момент системи по відношенню до точки, що розташована у центрі ваги вантажу з осями паралельними основним площинам судна і рухається у системі координат ХYZ. Позначаючи кінетичні моменти Zx, Zy, Zz, кутові швидкості ?х, ?у, ?z і моменти зовнішніх сил Мх, Му, Мz, отримані відомі рівняння Ейлера для руху „тяжкого стержня”:

(6)

(7)

де Аi найбільший момент і-ої гармоніки відносно -ої координатної вісі; іj і bij - відповідні частота і фаза і-ої гармоніки відносно -ої вісі; Віj - найбільший момент і-го удару по ?-ій вісі; у(t - Tij) - відповідна зміщена функція Дірака. „Прошарок” представлений, як пружно-в'язке середовище, відповідними силами, що додаються до „тяжкого стержня”, а останній з індексом (1) описує рух навколо центру координат ХYZ згідно рівнянням:

(8)

Рух судна з індексом (2) разом з „тяжким стержнем” під дією зовнішніх сил записується системою рівнянь:

(9)

Для дослідження систем (8) і (9) на сталість лінеаризовано їх ліві частини і представлено за умовами дії бортової хитавиці:

(10)

При аналізі системи (10) на сталість у 4-х виробничих ситуаціях встановлено домінуючу роль пружних сил вантажу під дією гармонічних і ударних навантажень на судно, а межею пружності - кут природного укосу. Після подолання цієї межі деформації стають пластичними з характерним переміщенням вантажу.

Третя допоміжна задача призначена для визначення рівняння регресії, яке моделює процес зміщення сипучого вантажу. Для його отримання здійснено факторний експеримент з використанням лабораторного макету. Рішення відповідних матричних рівнянь наведене у додатку з дослідження рівняння регресії на лінійність, яке у неадаптованому для інженерних розрахунків вигляді:

(11)

де mм - маса зсунутого вантажу, кг; Тм?[10; 30 с] - період коливання; Zg(м)[3; 13 см] - апліката центру ваги; Мв(м)?[3,24; 9,72 кг] - маса дослідницької проби.

В кінці розділу зроблено висновок, що: інтенсивність усадки вантажу пропорційна навантаженню, вектор сумарної сили якого співпадає з вектором сили ваги, а термін його дії обмежений постійністю дисперсного складу вантажу; стійкість системи „судно - вантаж („прошарок”, „тяжкий стержень”) - хвилювання” обмежена амплітудою хитавиці і силою ударних навантажень, на які впливають пружні властивості „прошарку”; маса зміщеного вантажу пропорційна амплітуді і періоду коливань та аплікаті центру ваги і обернено-пропорційна масі вантажу.

У четвертому розділі вирішується дві допоміжні задачі: створення технологічних умов для стримання процесу окислення вугілля при зберіганні і розробка методики визначення амплітуди бортової хитавиці судна при хвилюванні, а також головна задача - оптимізація коефіцієнта запасу стійкості вантажу.

У четвертій допоміжній задачі розглядається питання стримання процесу накопичення теплової енергії „режимним” вантажем - вугіллям. Замість рекомендованої вентиляції трюмів під час його перевезення запропонована герметизація повітря трюмів від атмосфери судна. Для перевірки запропонованого здійснено виробничий експеримент на балкері „MINERAL CHINA” при перевезенні на протязі 20 діб 165 398 тонн південноафриканського вугілля марки SE 38.

Було встановлено, що температура повітря в трюмах знаходилась на постійному рівні або знижувалась, коли концентрація кисню в повітрі трюмів перевищувала концентрацію вуглекислого газу. Зворотні умови створюють протилежний ефект, але, незалежно від температурного стану навколишнього середовища навколо балкера, температура повітря в трюмах коливалась в межах 2 оС.

Повна герметизація трюмів під час переходу судна хоча і забезпечує деяку економію палива на вентиляцію, але, що найважливіше, підвищує конструктивну безпеку судна.

Рішення п'ятої допоміжної задачі направлене на систематизацією відомих результатів теоретичних досліджень з теорії корабля по визначенню закономірностей впливу хвилювання на інтенсивність бортової хитавиці судна. Вона направлена на вирішення питання оперативного технологічного впливу на стійкість вантажу під час перевезення елементами руху судна - швидкістю та курсовим кутом хвилювання через амплітуду бортової хитавиці. Амплітуда бортової хитавиці впливає на її період, що забезпечує плавність руху судна. Такі прийоми традиційні в практиці судноводіння. Кількісні співвідношення між амплітудою бортової хитавиці, елементами руху судна та інтенсивністю хвилювання морської поверхні визначались:

на тихій воді - рішенням диференціального рівняння гармонічного коливання судна, що стоїть, без опору, з урахуванням принципу Даламбера відносно сил інерції судна та води;

на регулярному хвилюванні - на підґрунті відносного руху судна і гармонічної хвилі;

на нерегулярному хвилюванні - методами теорії ймовірності і математичної статистики при нормальному розподілі ординат щільності ймовірності коливального процесу хвиль (по закону Гауса), а амплітуд хвиль - по закону Релея.

Результатом рішення п'ятої допоміжної задачі стала методика визначення амплітуди бортової хитавиці судна в залежності від інтенсивності хвилювання і параметрів його руху.

Головна задача дослідження - забезпечення стійкості навалочного вантажу управляючим впливом на технологічні процеси перевезення вирішувалась шляхом дослідження на екстремум функції (1) методами варіаційного обчислення функції декількох змінних.

Дослідження першого і другого повних диференціалів функції (1) на екстремум: , а показало, що , , а функція (1) лінійна з нульовим мінімальним значенням на початку координат. У технологічних межах змінних цієї функції значення ?пл повинно бути більше одиниці. З причин лінійності (1) вона була обмежена наступною нерівністю: (?пл = 1,2). У такому разі визначалося граничне максимальне значення амплітуди бортової хитавиці судна:

(12)

де

У п'ятому розділі досліджується можливість практичного використання і ефективність застосування наукових результатів в управлінні технологічними процесами перевезення навалочного вантажу (вугілля).

Ефективність процесу усадки вантажу визначалась по пористості вантажу до і після дії регулюючого фактору: . Факторами впливу були вертикальна вібрація (А = 2 мм, f = 50 Гц) та зволоження вантажу (вугілля) до стадії насичення.

Лабораторними дослідженнями встановлено: ?е(у) від вібрації за 2 хв. підвищено до 30%, а при зволоженні - до 50%. Під час здійснення перевезень сумарна ефективність від хвилювання у 5 6 балів та зволоження вантажу до 10% склала майже 70%.

При визначенні ефективності процесу поверхневого утримання вантажу при його зволоженні до 10% була застосована наступна залежність: , де с, w - кути природного укосу сухого та зволоженого вантажу: , а ; W - вологість вантажу, %; dr - діаметр частки вантажу для вугілля [цс = 58,4 (1 - 0,151 lg dr)], мкм. Лабораторними дослідженнями встановлено, що при b = 3,5 і W = 10%, ?е(ут) ? 54%. Однак під час вібрації (А = 3 5 мм, f = 50 Гц) вантажу на нахиленій поверхні під кутом 30о коефіцієнт b знизився до 2,8, а ?е(ут) до 48%.

Здійснено адаптацію рівняння регресії (11) до реального технологічного процесу зміщення вантажу шляхом введення відповідного геометричного і фізичного масштабування, що дозволило розробити методику визначення характеристик остійності судна для задач оперативного корегування руху судна.

Результати випробувань, здійснених на балкерах „MINERAL CHINA” та „MINERAL TIANJIN” під час перевезення вугілля за тривалий час, підтвердили достовірність і ефективність заходів по удосконаленню технології і умов перевезення навалочних вантажів за рахунок стримання зросту вільної енергії, яка накопичується вантажем.

ВИСНОВКИ

У дисертаційному дослідженні міститься теоретичне узагальнення та нове вирішення науково-практичної задачі удосконалення технології і умов перевезення навалочних вантажів транспортними суднами, і, як наслідок зниження аварійності балкерів за рахунок удосконалення принципу, розробки та реалізації методу оптимізації стійкості наволочного вантажу до накопичення вільної енергії від зовнішніх збурень шляхом підвищення щільності, стійкості та управляючого обмеження енергії, яка надходить до вантажу.

Найбільш важливим науковим і практичним результатом отриманим у процесі досліджень є системне вивчення і дослідження термодинамічних процесів, які проходять у навалочному вантажі під час морського перевезення та їх вплив на остійність і безпеку судна. Це стало основним положенням і системним принципом оптимізації технологічних процесів перевезення.

В результаті досліджень розроблені математичні моделі і розрахункові схеми технологічних процесів, які призначені для дослідження стійкості вантажу до накопичення додаткової енергії. Моделі адаптовані до інженерних розрахунків і базуються на наступних встановлених фактах.

В навалочному вантажі, структурованому частками еквівалентного діаметру у вигляді дискретно-ізотропного однорідного сипучого середовища, стійкість технологічного процесу усадки визначається кількістю взаємних контактів поміж частками, їх діаметром і геометричними розмірами трюмів, а початковий коефіцієнт щільності штабеля вантажу знаходиться у межах 0,5 ? K ? 0,91 відносних одиниць.

Інтенсивність усадки вантажу пропорційна навантаженню, вектор сумарної сили якого співпадає з вектором сили ваги, а термін дії навантаження обмежується щільністю часток або постійністю дисперсного складу вантажу.

Стійкість системи “судно-вантаж (“прошарок”, “тяжкий стержень”) - хвилювання”, де “прошарок” представлений у вигляді пружно-в'язкого середовища та вантажем, що володіє аналогічними властивостями, обмежується при бортовій хитавиці кутом природного укосу, після чого деформація вантажу становиться пластичною з характерним зміщенням вантажу.

Кількість зміщеного полідисперсного вантажу при гармонічних коливаннях імітатора трюму навколо центра ваги вантажу з 98% достовірністю прямо порційна амплітуді і періоду коливань, аплікаті центру ваги, а зворотно пропорційна масі вантажу. Характер зміщення такий, що, після першого пересипання вантажу до одного з бортів, зворотне пересипання здійснюється при амплітуді коливання меншої за кут природного укосу на величину кута зміщення вантажу.

Виробничі спостереження за газовим складом атмосфери трюмів при перевезенні на протязі 20-ти діб вугілля у загерметизованих трюмах показали, що незалежно від температури атмосфери судна і забортної води при постійних: барометричному тиску та об'єму атмосфери трюмів, її температура залежить від співвідношення концентрації в трюмному середовищі кисню і вуглекислого газу . При >> - температура знижується, а при < - підвищується.

Швидкість руху судна, згідно рівнянню (12), обмежується амплітудою бортової хитавиці, яка, в свою чергу, залежить від ефективності технологічного процесу усадки вантажу, інтенсивності та курсового кута хвилювання.

Ефективність усадки сухого полідисперсного вантажу при вертикальній хитавиці з інтенсивністю хвилювання 4ч6 балів досягає 30%, попереднє зволоження вантажу - до 50%, а при сумісній дії хитавиці і зволоження - до 70%; при цьому щільність штабелю збільшується на 1,75% з 0,91 до 0,93 відн. один.

Ефективність поверхневої стійкості вантажу при зволоженні дисперсного вантажу підвищується до 50% за рахунок збільшення величини кута природного укосу при умові можливості зволоження вантажу до максимального транспортного значення.

Розроблена методика визначення характеристик остійності судна в залежності від кількості і форми зміщеної на кут в = И - цс маси вантажу, яка дозволяє оперативніше прогнозувати ризики при виникненні загрози аварійної ситуації.

Виробничі іспити здійснені на балкерах в рейсах при морських перевезеннях вугілля підтвердили достовірність і високу ефективність наукових результатів і заходів направлених на удосконалення технології і умов перевезення навалочних вантажів на балкерах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Кубышкин С.В. Эффективные методы повышения несмещаемости сыпучего груза при морских перевозках /Кубышкин С.В. //Судовождение. - 2006. - Вып. 12. - С. 71-74.

Кубышкин С.В. Математическая модель динамики сыпучих навалочных грузов /Кубышкин С.В. //Судовые энергетические установки. - 2006. - Вып. 16. - С. 32-39.

Кубышкин С.В. К вопросу оценки смещаемости сыпучего груза /Кубышкин С.В. //Судовождение. - 2007. - Вып. 13. - С. 120-123.

Кубышкин С.В. Особенности перевозки сыпучих энергоносителей морским транспортом /Кубышкин С.В. //Судовождение. - 2007. - Вып. 14. - С. 58-61.

Кубышкин С.В. Основные факторы, влияющие на микроклимат в трюме при перевозке угля /Кубышкин С.В. //Матеріали науково-технічної конференції «Стан та проблеми судноводіння»: - ОНМА. Одеса, 24-26 жовтня 2005. - С. 82-88.

Кубышкин С.В. Учет динамики сыпучих навалочных грузов для обеспечения плавания судна /Кубышкин С.В. //Матеріали науково-технічної конференції «Інтегровані комплекси транспортних засобів та безпека судноплавства»: - ОНМА. Одеса, 23-24 травня 2006. - С. 33-36.

Кубышкин С.В. Результати лабораторных исследований смещаемости угля в трюме судна /Кубышкин С.В. //Матеріали науково-технічної конференції «Підвищення безпеки управління суднами під час морських перевезень»: - ОНМА. Одеса, 10-11 жовтня 2007. - С. 71-75.

АНОТАЦІЯ

Кубишкін С.В. Удосконалення технології і умов перевезення навалочних вантажів транспортними суднами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 - експлуатація та ремонт засобів транспорту - Одеська національна морська академія, Одеса, 2009.

Дисертація присвячена актуальній задачі підвищення безпеки балкерів шляхом удосконалення технологічних процесів усадки, поверхневого утримання, зміщення, саморозігріву навалочних вантажів шляхом мінімізації припливу до них зайвої енергії з боку навколишнього середовища. Оптимізовані гранична амплітуда бортової хитавиці і швидкість судна, які забезпечують гарантовану стійкість вантажу до збурень від хвилювання, і мінімізовані теплові виділення всередині його маси.

Розроблені математичні моделі і розрахункові схеми поведінки навалочного вантажу під час морських перевезень, знайдені оптимальні технологічні режими, запропоновано методи та прийоми підвищення ефективності їх застосування у практиці перевезень вугілля на балкерах, яка коливається у межах від 30% до 70%. До таких заходів відносяться: зволоження, урахування природного ущільнення від вертикального хвилювання, повна герметизація трюмів, зміна режиму руху судна при загрозі поверхневого зміщення вантажу.

Розроблені інженерні методики визначення остійності судна при поверховому зміщенні вантажу.

Результати дослідження реалізовано на балкерах, в морських портах, стівідорно-експедиційних компаніях, наукових роботах і навчальному процесі.

Ключові слова: транспортний процес, навалочний вантаж, балкер, безпека, технологічні процеси, ефективність, моделі, методи, оптимізація.

АННОТАЦИЯ

Кубышкин С.В. Совершенствование технологии и условий перевозки навалочных грузов транспортными судами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 - эксплуатация и ремонт средств транспорта - Одесская национальная морская академия, Одесса, 2009.

Диссертация посвящена актуальной задаче повышения безопасности морской перевозки навалочных грузов на балкерах путем совершенствования технологических процессов: усадки, поверхностного удержания, смещения и самосогревания груза за счет оперативного управления.

При решении задач исследования использован принцип минимализации накопления в грузе свободной энергии от сил инерции, гравитации, жесткости, упругости и вязкости, а также движущих сил тепловой энергии.

Установлены требуемые закономерности изменения пористости сыпучего груза: от его структуры, величины и интенсивности нагрузки с разработкой математической модели и расчетных схем.

Проанализирована устойчивость системы “судно-груз (“прослойка” - “тяжелый стержень”) - волнение” с использованием математической модели равенства моментов сил инерции, жесткости, упругости, вязкости, внешних гармоничных и ударных воздействий. Результаты показали ведущую роль упруго-вязких сил груза, влияние которых должно ограничиваться углом естественного откоса груза.

Величина угла естественного откоса прямопропорциональна плотности и вязкости груза и обратнопропорциональна размеру его частиц.

Количество смещаемого к борту сыпучего груза при постоянной дисперсности прямопропорционально амплитуде и периоду качки, аппликате центра тяжести груза и обратнопропорционально его массе.

Температура угля загерметизированного в трюмах контролируется соотношением концентраций кислорода и углекислого газа : при >> - температура постоянна или снижается; при < - повышается.

Оптимизируется коэффициент запаса устойчивости груза по амплитуде бортовой качки судна, которая традиционно ограничивается скоростью и курсовым углом волнения судна.

Разработаны методики для инженерных расчетов характеристик качки и остойчивости балкера под воздействием всех видов волнения предназначенные для задач управления судном и адаптированные к условиям смещаемости навалочного груза.

Эффективность совершенствуемых технологических процессов составляет 50-70% за счет естественного повышения плотности и вязкости груза, а также, как следствие, увеличения его угла естественного откоса.

Герметизация трюмов повышает не только конструкционную безопасность судна, но приводит к снижению расхода топлива на работу вентиляторов трюмов.

Результаты исследования внедрены на судах, в портах, стивидорно-экспедиционных компаниях, научных разработках и учебном процессе.

Ключевые слова: транспортный процесс, навалочный груз, балкер, безопасность, технологические процессы, эффективность, модели, методы, оптимизация.

ANNOTATION

Kubyshkin S.V. The improvement of technology and conditions of transportation of bulk cargoes by transport vessels. - The Manuscript.

The Thesis on competition of a scientific degree of the Doctor of Philosophy on speciality 05.22.20 - Operation and Repair of Vehicles - Odessa National Maritime Academy, Odessa, 2009.

The dissertation is dedicated to the actual problem of improvement of safety during sea transportation of bulk cargoes on bulk carriers by the improvement of technological processes: shrinkage, surface keeping, shifting and self-warming of cargo using operational control.

To investigate the research problems the principle of minimization of free energy accumulation inside the cargo from forces of inertia, gravitation, rigidity, elasticity and viscosity as well as motive forces of thermal energy is used.

The demanded rules of alteration of porosity of solid bulk cargo are established: from its structure, size and load intensity with working out of mathematical and analytical models.

Stability of a system «vessel - cargo (“layer” - “heavy core”) - sea roughness» with the usage of mathematical model of equality of the moments of forces of inertia, rigidity, elasticity, viscosity, external harmonious and percussion actions is analyzed. The results have proven the decisive role of elastic-viscous forces of the cargo, the influence of which should be limited to the angle of repose of certain cargo.

The techniques for engineering calculations of rolling and stability characteristics of a bulk carrier under the influence of various types of sea roughness intended to solve the tasks of vessel operation and adapted to the conditions of bulk cargo shifting are worked out.

Efficiency of improved technological processes makes up 50-70 percent due to natural increase of density and viscosity of cargo as well as the increase of its angle of repose as the consequence of above.

Keywords: transport process, solid bulk cargo, bulk carrier, safety, technological processes, efficiency, optimization, angle of repose.

Размещено на Allbest.ru

...