ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

Бичков Дмитро Володимирович

УДК 656.614.3

УДОСКОНАЛЕННЯ І ОПТИМІЗАЦІЯ
СХЕМИ КРІПЛЕННЯ КОНТЕЙНЕРІВ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ
ЗБЕРЕЖЕННЯ ВАНТАЖУ ПРИ ПЕРЕВЕЗЕННІ

Спеціальність 05.22.20 – експлуатація та ремонт засобів транспорту

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2008

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

Берестовий Анатолій Михайлович,

Азовський морський інститут Одеської

національної морської академії, завідувач

кафедри судноводіння і морських перевезень

кандидат технічних наук

Васьков Юрій Юрійович,

Одеський морський торговельний порт,

перший заступник начальника порту

Захист відбудеться 15 травня 2008 р. о 1000 годині 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 національної морської академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 2.

Автореферат розісланий 14 квітня 2008 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
д.т.н., професор В.В. Тарапата

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективне використання морських суден полягає у забезпеченні цілісності перевезення вантажів при дотриманні усіх вимог морехідної безпеки, оскільки ці обставини є головною метою перевізника і завдяки чому формується його прибуток. Вимоги безпеки і цілісності перевезень регламентуються різними нормативними документами міжнародного, національного і оперативного рівня (конвенціями, правилами, технічними умовами, інструкціями, рекомендаціями).

Постійне зростання кількості перевезених контейнерів, особливо на палубі, приводить до того, що висота палубного штабеля стала досягати 7…9 і більше ярусів, загрожуючи втраті остійності та міцності кріплення вантажу. Практика морських контейнерних перевезень використовує стандартні технологічні схеми завантаження, вивантаження і транспортування контейнерів. Досвід їх перевезення на палубі показує, що розповсюджені способи кріплення не виключають комерційний брак (пошкодження і навіть втрату вантажу). Це виникає від вкрай недостатньої науково обґрунтованої інформації з оптимізації схем кріплення контейнерів з урахуванням міцнісних характеристик штабеля.

Таким чином, проблема удосконалення схем кріплення вантажів є актуальною через значне пошкодження вантажів та їх втрату, що мають місце під час транспортування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок досліджень відбито у "Державній програмі вдосконалення функціонування державної системи забезпечення безпеки судноплавства на 2002-2006 рр." (постанова Кабінету Міністрів України від 28.01.2002 р., № 96), а також "Концепції сталої національної транспортної політики розвитку всіх видів транспорту на 2007-2014 роки" (наказ Мінтрансзв’язку від 05.05.2007 р. № 360). Тема дисертаційної роботи і спрямованість досліджень тісно пов'язані з держбюджетними НДР ''Удосконалення методів безпечного судноводіння в складних умовах плавання'' (ДР № 0103U006406) і "Підвищення безпеки і керування суднами під час морських перевезень" (ДР № U002117), в яких автору належать самостійно виконані розділи.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є вдосконалення технології кріплення контейнерів під час океанських переходів. Наукова передумова виходить з того, що існує безліч допустимих стратегій кріплення контейнерів, що задовольняють вимогам різних класифікаційних товариств, серед яких є єдина – оптимальна. У процесі досліджень вирішувалося головне завдання – розробка способу оптимального кріплення контейнерів на судні.

Для досягнення мети в роботі вирішувалися наступні допоміжні завдання:

§ проведення аналізу досвіду морських перевезень контейнерних вантажів і вивчення факторів, що впливають на якість транспортування;

§ визначення характеру та інтенсивності впливу зовнішніх факторів на процес цілісного перевезення контейнерів;

§ вивчення сил, що діють на контейнери під час руху судна;

§ оптимальний вибір кріпильного матеріалу для мінімізації засобів кріплення контейнерів;

§ проведення натурних випробувань з розробкою рекомендацій з оптимального кріплення контейнерів.

Об'єкт досліджень – технологічний процес кріплення штабеля контейнерів.

Предмет досліджень – параметри міцності кріплення і стійкості штабеля контейнерів під час морських перевезень.

У дисертаційній роботі використані наступні методи досліджень:

§ системного підходу під час вибору теми досліджень, аналізу процесу транспортування вантажу і вдосконалення схеми його кріплення;

§ статистичної обробки даних і експертних оцінок при аналізі морських перевезень контейнерних вантажів і визначення характеру впливу несприятливих погодних умов на цілісність вантажу;

§ математичного програмування методами простих ітерацій і невизначених коефіцієнтів;

§ планування експерименту і обробки статистичних даних при проведенні натурних випробувань;

§ прямого виміру фізичних величин при виконанні експериментальних спостережень і досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

§ вперше розроблено метод формування стратегії розрахунку раціональної кількості засобів кріплення контейнерів залежно від прогнозованих гідрометеорологічних умов на трасі переходу;

§ вдосконалено аналітичний опис методики розрахунку засобів кріплення залежно від прогнозованих погодних умов на трасі переходу;

§ отримано математичну модель процесу кріплення вантажу на палубі та у трюмі, що дало змогу вибору та оптимізації його раціональних схем.

Практичне значення одержаних результатів. Використання результатів досліджень під час експериментального рейсу на контейнеровозі т/х ''Wehr Oste'' (протягом 94 діб; ходовий час – 73 доби; 16 портів заходу) дозволило скоротити кількість засобів кріплення і стоянковий час судна в портах, зменшити ризик пошкодження перевезеного вантажу і тим самим підвищити ступінь його цілісності.

Результати дисертаційної роботи впроваджено в:

§ ДП "Одеський морський торговельний порт" – методика розрахунку оптимальної схеми кріплення палубних контейнерів на судні із застосуванням імітаційної моделі, отриманої в дисертації (акт від 15.03.07 р);

§ дочірньому представництві судновласника компанії "Oskar Wehr" в Україні (м. Одеса) – імітаційна комп'ютерна програма для попередніх розрахунків засобів кріплення стандартних контейнерів і негабаритних вантажів, з урахуванням прогнозованої погоди на трасі переходу (акт від 10.04.07 р);

§ контейнерній лінії "Cargo Container Line Limited" (м. Одеса) – методика розрахунку оптимальної схеми кріплення й вибору необхідної кількості кріпильного матеріалу (акт від 18.04.07 р);

§ ОНМА – у навчальному процесі у курсах лекцій, практичних роботах та НДР ДР № 0103U006406 і ДР № 0106U002117 (акт від 06.02.07 р.).

У подальшому використання отриманих в роботі результатів можливо шляхом їх поширення на процеси перевезення великогабаритних вантажів на інших типах суден, а не тільки на контейнеровозах.

Особистий внесок здобувача. Усі теоретичні розробки і експериментальні результати, які представлені в дисертації та виносяться на захист, одержані здобувачем самостійно.

У співавторстві здобувачем опубліковано 2 статті.

Апробація результатів дисертації. Результати основних дисертаційних досліджень було викладено і схвалено на: 55-й науковій й науково-методичній конференції професорсько-викладацького складу і курсантів (ОНМА, Одеса, 2003 р.); науково-технічної конференції ''Стан і проблеми судноводіння'' (ОНМА, Одеса, 2005 р.); науково-технічній конференції ''Інтегровані комплекси транспортних засобів і безпека судноплавства'' (ОНМА, Одеса, 2007 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 4 наукових статтях у виданні, що входить до переліків видань, дозволених ВАК України для публікації результатів дисертаційних досліджень, а також у матеріалах 3-х конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел з 99 найменувань. Загальний обсяг роботи – 216 с., у тому числі: 158 с. основного тексту, 4 с. висновків, 8 с. списку літератури, 46 с. додатків, 33 рисунків та 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Перший розділ дисертації містить результати аналізу наукових джерел, присвячених питанням морехідної безпеки суден, пов'язаної із забезпеченням цілісного перевезення вантажів. У розділі обґрунтовано вибір основних напрямків дисертаційного дослідження.

Аналіз наукових джерел дозволив виявити проблеми забезпечення цілісного перевезення вантажів. Зроблена оцінка небезпеки для перевозимого вантажу від погіршення гідрометеорологічних умов на трасі переходу. Досліджені питання морехідної безпеки судна при плаванні суден у штормових умовах та роботи, присвячені експлуатації контейнеровозів.

Загальним питанням забезпечення безпечного морехідного стану суден присвячені роботи Крилова А.Н., Войткунського С.Н., Костюкова О.О., Благовіщенського С.М., Воробйова Ю.Л., Сизова В.Г. Дослідженню забезпечення морехідної безпеки суден приділена увага в роботах Єгорова Г.В. У роботах Коробцова В.І., Барановського М.Е., Зайцева В.В. розглянуто питання технології цілісного перевезення різних видів вантажів, а також безпеки плавання судна під час перевезення цих вантажів. Балаков Н.П. розглянув питання контейнерних перевезень швидкопсувних вантажів, а Іванов Ю.М. і Горєлий П.П. – особливості технології перевезення вантажів у рефрижераторних контейнерах. Дослідженню питань доставки насипних вантажів у контейнерах і підвищенню ефективності їх використання на морському транспорті присвячена робота Редькіна О.Ф. Забезпечення цілісного перевезення режимних вантажів на універсальних суднах розглянуто в роботі Савчука В.Д. Техніко-експлуатаційні характеристики контейнерів міжнародного стандарту описані Блиновим Є.К. Особливості розрахунку оптимального вантажного плану контейнеровоза представлено в роботі Бабакова В.В. і Савчука В.Д.

Дослідження з удосконалення технології перевезення вантажів у контейнерах, вимоги до їхнього технічного стану, техніки безпеки при обробці контейнерів на терміналах і при вантажних операціях викладено в роботах Андрєєва Д.Т., Ерліх М.Д., Галабурди Є.М., Ускова М.С. Кріплення контейнерів, забезпечення їхнього безпечного перевезення в трюмах і на палубі відбито в роботах Снопкова В.І. та Гаврилова М.М.

Однак основна вимога сьогодення – це доставка вантажів точно в строк безпосередньо одержувачу з мінімальними втратами їхньої якості та кількості, що забезпечується контейнерними перевезеннями, які становлять значну частину всього світового вантажообігу.

Контейнерна транспортна система дозволяє значно підвищити якість перевезень, особливо на міжнародних лініях: підвищує цілісність вантажів, прискорює їхню доставку від виготовлювача товару до споживача, сприяє механізації праці стивідорів і моряків, скорочує потребу в людських ресурсах.

Цілісне перевезення вантажів регламентується конвенціями, нормативними документами, технічними умовами, інструкціями й рекомендаціями.

Проведений аналіз методик чотирьох найбільших класифікаційних товариств "Det Norske Veritas", "Llоуd's Register", "Germanischer Llоуd's" і "Bureau Veritas" по розрахунках сил інерції показав, що в них недостатньо коректно відбито погодні умови, не враховується поточне значення сили вітру і хвилювання, методики пропонують враховувати лише найбільш несприятливі погодні умови перед початком рейсу. При цьому вони при розрахунку сил інерції не враховують комбінованого впливу зовнішніх сил (сили вітру, вітрового хвилювання, висоти хвиль).

Автором було досліджено вантажні плани контейнеровозів місткістю від 500 до 1200 TEU, комп'ютерні програми J.J. Sietas System, Seacos і Macs3, що на них використовуються, а також вантажні плани контейнеровозів місткістю від 1500 до 3500 TEU і комп'ютерні програми Seamaster, Laodstar, які використовуються на цих суднах. Виявилося, що в програмах J.J. Sietas System, Seacos і Macs3 немає розрахунків кількості засобів кріплення для кожного штабеля і величин сил, які діють на кожний штабель контейнерів. Дослідження підтвердили, що потрібна програма для розрахунку сил, які діють на контейнери, особливо для контейнеровозів місткістю понад 1500 TEU і висотою штабеля п'ять ярусів і більше – тобто суден, що здійснюють океанські і тривалі переходи. При детальному ознайомленні з програмами з'ясувалося, що погодні умови враховуються не досить повно, не береться до уваги висота хвиль, частота і курсові кути хвилювання та вітру.

Проведений огляд показав, що питання забезпечення ефективної системи кріплення контейнерів і сили, які діють на них, досліджено не досить повно. Про це свідчать часті поломки і пошкодження контейнерів, їх повна втрата – падіння за борт.

На підставі проведеного аналізу основними напрямками ряду досліджень обрано: вивчення сил і зовнішніх факторів, що залежать від погодних умов, які діють на контейнери під час руху судна; найбільш актуальні проблеми міцності і стійкості кріплення контейнерів при їхньому перевезенні в несприятливих гідрометеорологічних умовах і забезпечення цілісності вантажів, що в них перевозяться; розробка більш раціонального способу кріплення контейнерів з урахуванням багатьох рекомендацій і рейсових спостережень, з метою забезпечення морехідних якостей судна і цілісності транспортованих вантажів.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячено опису методологічного забезпечення наукового дослідження, у ньому зроблено обґрунтування вибору напрямку дисертаційного дослідження в області забезпечення цілісного перевезення контейнерів, обрано мету досліджень, сформульовано головне завдання роботи і розглянуто методи його рішення. Структуру методологічного забезпечення дисертації представлено у вигляді технологічної карти досліджень. Здійснено декомпозицію головного завдання роботи на три допоміжні складові:

§ дослідження в натурних умовах (експериментальних рейсах) гідрометеорологічних умов плавання та їх впливу на вантаж, що перевозиться на судні, для детального вивчення факторів, які викликають пошкодження контейнерів при їх перевезенні морем.

§ визначення сумарних інерційних сил, з урахуванням комбінованого впливу зовнішніх сил, що діють на вантаж (контейнери), з метою оцінки величини навантажень, які доводиться витримувати контейнерам і їх кріпленню в рейсі.

§ розробка стратегії формування і розрахунку раціональної кількості засобів кріплення вантажів з урахуванням впливу зовнішніх та інерційних сил для забезпечення цілісної доставки вантажів.

У результаті рішення кожного з цих завдань було отримано основні наукові результати дисертаційних досліджень (НР1, НР2, НР3 відповідно).

Виконані в роботі теоретичні дослідження і проведене імітаційне моделювання підтвердили правильність прийнятої наукової гіпотези про існування багатьох допустимих стратегій завантаження судна-контейнеровоза і кріплення його вантажу, що задовольняють заданим обмеженням і забезпечують цілісність вантажу, серед яких є оптимальна за обраними параметрами.

Практична значимість виконаного дисертаційного дослідження полягає в тому, що запропонований в роботі метод визначення оптимальної схеми і раціональної кількості засобів кріплення палубного вантажу може бути використано не лише для скорочення кількості застосовуваних засобів кріплення і часу вантажних операцій контейнеровозів, але й для розрахунку засобів кріплення вантажу під час перевезення на інших типах суден.

Практична цінність даної роботи визначається також і тим, що отримані в результаті досліджень алгоритми, програми та імітаційна модель, за допомогою яких описується спосіб вибору стратегії оптимального кріплення вантажу з урахуванням прогнозованого стану гідрометеорологічної обстановки на трасі переходу, можуть бути використані:

§ на суднах, в першу чергу контейнеровозах, а також універсальних суднах, для забезпечення цілісного перевезення вантажів;

§ портами та стивідорними компаніями при плануванні і виконанні операцій вибору засобів і схем кріплення вантажів;

§ у навчальному процесі при вивченні дисципліни ''Технологія перевезення вантажів''.

Наукові результати, які були отримані при виконанні досліджень, а також результати імітаційного моделювання дозволяють сформулювати наукове положення дисертаційної роботи в такий спосіб: розроблено метод формування оптимальної стратегії кріплення вантажу з урахуванням прогнозованих гідрометеоумов на трасі переходу, а також вимог забезпечення цілісного перевезення вантажів.

У третьому розділі вирішується перше допоміжне завдання, яке вимагає визначити і оцінити, наскільки істотним є вплив інерційних сил на контейнери, що перевозяться на палубі, залежно від погодних умов. Для розв’язання цього завдання було виконано рейсові спостереження. Здійснено аналіз факторів, що впливають на цілісність вантажу, який перевозиться на контейнеровозах. Описано проблему, що виникає при завантаженні контейнерів – це неправильне їх укладання й кріплення. Найбільш частий приклад – розташування важких контейнерів у верхніх ярусах на палубі.

Рис. 1. Падіння контейнерів в результаті
виникнення посиленої бортової хитавиці

Проаналізовано різні випадки відмови кріплення, а також пошкодження контейнерів у результаті впливу надмірних інерційних сил (рис. ).

Детально вивчено сили, які впливають на контейнери. В одному з експериментальних рейсів на т/х “Wehr Оstе” виконано розрахунок сил, що діють на кріплення і контейнери, який був виконаний за допомогою програми Seamaster. З'ясувалося, що програми Seamaster, Seacos, Laodstar розраховують сили, враховуючи наступні параметри: теоретичний кут крену на борт, швидкість вітру, осадку, метацентричну висоту, вагу штабеля, відстань між штабелем і центром ваги судна, період власних поздовжніх і поперечних коливань. У той же час вони не враховують висоту хвилі, курсовий кут хвилювання і вітру, частоту хвилювання. У зв'язку з цим автор поставив завдання – розробити програму, яка дозволить розрахувати інерційні сили, що діють як на окремий контейнер, так і на окремий штабель контейнерів в цілому, з урахуванням гідрометеоумов на майбутньому переході, враховуючи всі перелічені вище параметри.

Крім того, за запропонованими академіком Шиманським Ю.А. формулами виконано розрахунок сумарних інерційних сил, що діяли на розміщений на палубі контейнер при плаванні судна на хвилюванні в одному з експериментальних рейсів на т/х ''Wehr Oste''. При плаванні з портів США в порти Східної Азії, коли судно потрапило в зону шторму, висота хвиль досягала 4…5 метрів, кут крену — 20 градусів і кут диференту — 10 градусів. На підставі розрахунків сил одержано графіки, згідно з якими при плаванні судна на схвильованій поверхні моря на контейнер, що перебуває на палубі, діють настільки значні сили інерції, що їх не можна не враховувати. Більшою мірою проявляється вертикальна сила Fz при бортовій і кільовій хитавиці, особливо для контейнерів, що перебувають у беях, найбільш віддалених від центру ваги судна. Величина цих сил залежить від умов плавання (висоти хвиль, кутів крену і диференту), маси контейнера і місця його розташування на судні (по довжині, ширині і висоті). Крім інерційних сил, викликаних рухом судна і хвилюванням, враховується вплив динамічного тиску вітру на контейнери.

Наведено приклад розрахунку кріплення негабаритного вантажу на палубі контейнеровоза. Для цього було визначено інерційні сили і тиск вітру за формулами Шиманського Ю.А. і Снопкова В.І. відповідно, які будуть діяти на негабаритний вантаж під час руху судна з урахуванням прогнозованої погоди, виконано порівняння цих сил з безпечним робочим навантаженням кріпильних ланцюгів або тросів, а також визначено, під яким кутом необхідно розмістити ланцюги або троси до платформи або палуби. Порівнюючи розраховану величину сумарних сил з безпечною робочою силою або нормативним навантаженням кріпильного матеріалу, можна визначити, чи досить наявних засобів кріплення для забезпечення цілісного перевезення вантажу.

Результати розв’язання першого допоміжного завдання і аналіз випадків падіння за борт контейнерів, які були належним чином закріплені і розташовані на судні, показали, що:

§ недостатньо враховувався комбінований вплив статичних і динамічних сил, які виникали в штормову погоду;

§ програми, які є на судні, не досить повно враховують погодні умови;

§ на контейнеровозі необхідно мати програму, яка оперативно допоможе вантажному помічникові здійснити перевірку, чи використовується достатня кількість кріпильного матеріалу при кріпленні негабаритного вантажу до платформи (flat rack), під якими кутами повинні розташовуватися ланцюги, ремені або стропи і міцність кріплення для забезпечення цілісного перевезення негабаритного вантажу і безпеки плавання судна.

Таким чином, отриманий НР1 полягає в одержанні аналітичного опису керованих і некерованих параметрів на трасі переходу з вантажем, які впливають на цілісне перевезення вантажу з використанням методів теорії дослідження операцій.

Четвертий розділ присвячено розв’язанню другого й третього допоміжних завдань.

Друге допоміжне завдання полягає в розробці математичної моделі для розрахунку сумарних інерційних сил і реакцій у кріпильному матеріалі (зв'язках) з урахуванням погодних умов, включаючи величини, які не враховують існуючі сьогодні методики (висоту хвиль, частоту хвилювання, курсовий кут хвилювання, вітру). У цьому розділі представлено математичну модель вибору оптимальної схеми кріплення вантажу-контейнера. Отримано математичну модель впливу хитавиці судна на можливий зсув вантажу, враховуючи оцінку поведінки судна в умовах морського хвилювання, і залежні від цього сили інерції. Розроблено спосіб розрахунку виникаючих реакцій у зв'язках, залежно від обраної схеми кріплення вантажу. Розглянуто визначальні види хитавиці судна, що породжують сили інерції, які впливають на вантаж. Для опису процесу хитавиці судна було складено диференціальне рівняння, яке являє собою суму моментів, що діють на судно при бортовій хитавиці. Причому враховуються інерційний, демпфуючий, відновлювальний та збурюючий моменти. Отримано рівняння бортової хитавиці:

(1)

де h’ — коефіцієнт загасання; o — власна частота судна при бортовій хитавиці; — редукційний коефіцієнт при бортовій хитавиці; k — уявна частота хвилювання.

Вираз, що аналітично описує поздовжні коливання судна:

(2)

де – редукційний коефіцієнт при кільовій хитавиці; o – власна частота судна при кільовій хитавиці; h – коефіцієнт загасання при кільовій хитавиці.

Вертикальний поступальний рух носить гармонійний характер з частотою хитавиці k і описується виразом

, (3)

де o = 0,5hw – амплітудне значення вертикального переміщення, hw – висота хвилі.

Отримано максимальні значення сил, що впливають на вантаж, центр ваги якого відстоїть від центру ваги судна на величини X, Y та Z при хитавиці з уявною частотою k:

(4)

де моменти часу tx , ty и tz для кожної сили знаходять з виразів (5)-(7):

(5)

(6)

(7)

де , ; ; =osin(ktz-), =osin(ktz-); mc – вага вантажу, т ; – кут диференту, град; – кут крену, град; o – амплітудне значення кута диференту, град; o – амплітудне значення кута крену, град; – початкова фаза поздовжніх коливань; – початкова фаза поперечних коливань; А – наведена амплітуда, що являє собою корінь квадратний із суми квадратів коефіцієнтів при гармоніках; z – початкова фаза вертикальних коливань; hw – висота хвилі, м.

Для розрахунку кріплення вантажів, при відомих зовнішніх силах maxFX1, maxFY1 та maxFZ1, що впливають на вантаж, знайдено реакції, що виникають у зв'язках (рис. 2). За їх величиною приймається рішення про вибір відповідних кріпильних матеріалів:

;

;

; , | (8)

де ; ;;

; ;

.

Рис. 2. Схематичне зображення відтяжки,
що кріпить вантаж

Третє допоміжне завдання полягає в розробці методики розрахунку оптимальної схеми кріплення вантажу. Запропонована методика розрахунку оптимальної схеми кріплення у випадку, коли значення кутів (кут між діаметральною площиною і напрямком відтяжки) і (кут між площиною міделя й напрямком відтяжки) можна вибирати.

Для задачі кріплення вантажу як альтернатива розглядаються схеми кріплення вантажу, тобто набір кутів i и i (i=1...4). Схема кріплення характеризується вісьмома параметрами (чотирма парами кутів i і i) і є точкою восьмивимірного простору. Обмеженнями є, по-перше, допустимі діапазони кутів i та i, по-друге, реакції, що виникають у зв'язках, не повинні перевищувати міцність самих зв'язків, а місцева міцність повинна перевершувати максимальне значення вертикальної складової сил maxFZ1. За критерій оптимальності прийнято економічні витрати на кріпильний матеріал, еквівалентні мінімізації довжини кожної з відтяжок.

Для практичних цілей задачу оптимізації можна сформулювати з урахуванням того, що для всіх зв'язків можна зажадати рівності кутів i, тобто 1=2=3=4=, а кути i можуть відрізнятися один від одного на постійну величину (, /2 і т.п.) і залежати від загальної складової (рис. 3). У цьому випадку множиною схем кріплення є ділянка площини, обмежена гранично допустимими mn, mx і mn, mx значеннями кутів і . Для вказаної вимоги оптимізаційна задача приймає наступний вигляд:

Q (б,г) =minQ= min (r1 + r2 + r3 + r4 );

б[ бmn , бmx ]; г [гmn , гmx ];

Ri ? Rdi (=1...4) | (9)

де ri – довжина i-го зв'язку; Rdi– гранично допустиме значення i-ї реакцій Ri.

Рис. 3. Вибір оптимального кута a між діаметральною площиною
і напрямком відтяжки

Якщо отримане значення кута б належить допустимому інтервалу, тобто , то його й використовуємо надалі. У випадку вибираємо найближче граничне значення (бmn або бmx). Таким чином, враховуються два обмеження оптимізаційної задачі (друге та четверте). Реакції Ri отримуємо в аналітичному вигляді як функції кутів б і г, тобто Ri=Ri (б, г).

Рівняння сил використовуються для пошуку мінімального значення критерію оптимальності:

,

=0.

В них підставляються вирази для реакцій Ri(б,г) і отримання значення для кутів бi, потім рівняння додаються, і результуюче рівняння дозволяє знайти значення кута г. Сума рівнянь має вигляд:

[+)++)+ ++) ++)]=0;

З даного рівняння знаходимо мінімальне значення кута г, яке відповідає виникаючим реакціям Ri(б,г). При відомому куті гmin забезпечується мінімальна довжина відтяжок, при цьому розраховуються значення реакцій Ri(б,гmin) і визначаються необхідні допустимі навантаження RdiRi(б,гmin). За значеннями навантажень Rdi визначається необхідна товщина відтяжок. Все зазначене вище справедливо, якщо значення гmin належить допустимому інтервалу кутів, тобто . Інакше необхідно вибрати найближче граничне значення гmn або гmx, для нього розрахувати значення реакцій Ri, потім навантажень Rdi і визначити діаметр відтяжки.

Таким чином, отриманий НР2 полягає в одержанні математичної моделі визначення максимальних інерційних сил, що впливають на вантаж при його перевезенні морем, а НР3 – дозволив запропонувати методику оптимальної стратегії кріплення вантажу із забезпеченням цілісності вантажу при перевезенні.

П'ятий розділ присвячено розв’язанню головної задачі – розробці алгоритму, що включає етапи: а) необхідних обчислень сил інерції, які діють на вантаж; б) реакції, що виникають при цьому в кріпильному матеріалі; в) імітаційну модель у вигляді комп'ютерної програми на базі отриманого алгоритму.

Рис. 4. Блок-схема алгоритму розрахунку сил інерції

Вхідними даними алго-ритму розрахунку сил інерції (рис. 4) є наступні змінні: Jx – момент інерції судна відносно його поздовжньої осі Х-Х; mx – узагальнені приєднані маси води відносно тієї ж осі Х-Х; мx – коефіцієнт демп-фування відносно осі Х-Х; D – водотоннажність судна; ho – поперечна початкова метацентрична висота; чи – редукційний коефіцієнт при бортовій хитавиці; щk – уявна частота хвилювання; Jy – момент інерції судна відносно поперечної осі Y-Y; my – узагальнені приєднані маси води відносно осі Y-Y; мy – коефіцієнт демпфування відносно осі Y-Y; чв – редукційний коефіцієнт при кільовій хитавиці; hw – амплітуда поступальної вертикальної хитавиці; ДX, ДY, і ДZ – різниця координат між центрами ваги судна і вантажу; mc – маса вантажу, кріплення якого здійснюється; м – коефіцієнт тертя; Ai(Xni,Yni,Zni) і Bi(Xki,Yki,Zki) – координати початку і кінця i-ї відтяжки.

Вихідними даними алгоритму є максимальне значення горизонтальної складової сили інерції, що дозволяє перейти до обчислення реакцій зв'язків R1, R2, R3 и R4 (рис. 5).

На базі отриманих алгоритмів розроблено імітаційну модель у вигляді комп'ютерної програми. Програма містить три модулі, які дозволяють перевірити коректність отриманих теоретичних результатів і здійснити розрахунок значень реакцій відтяжок залежно від різних чинників.

Рис. 5. Блок-схема алгоритму
обчислення реакцій зв’язків

Перший модуль імітаційної програми призначений для моделювання бортової, кільової і вертикальної хитавиці судна за різних погодних умов з метою вивчення виникаючих сил інерції, представлених трьома стандартними складовими: поздовжньою Fx, поперечною Fy та вертикальною Fz. Проведене моделювання для різних ситуацій показало хорошу збіжність теоретичних і модельних значень максимальних сил інерції і, отже, коректність аналітичних виразів для їх розрахунку.

Другий модуль програми призначений для розрахунку реакцій, що виникають у відтяжках, при заданій схемі кріплення вантажу.

Третій модуль імітаційної програми показує результати розрахунку сил інерції Fx, Fy, Fz і реакцій в кріпленні R1, R2, R3, R4 (рис. 6), отримані за методиками:

§ класифікаційних товариств (рядки DNV – "Det Norske Veritas", LR – "Lloyd’s Register", GL – "Germanischer Lloyd’s", BV – "Bureau Veritas");

§ розробленою в дисертації (рядок "DIMA").

Рис. 6. Результати моделювання максимальних значень сил інерції
за методиками найбільших класифікаційних товариств та здобувача

Це дозволило зіставити результати розрахунків, оцінити ступінь відповідності усіх методик класифікаційних товариств і порівняти їх з розрахунками за отриманим в дисертації способом. Як свідчать дані імітаційного моделювання, максимальна розбіжність значень складових сил інерції за методиками класифікаційних товариств досягає 50%. Максимальні значення цих сил, розрахованих запропонованим в роботі способом, відрізняються від результатів класифікаційних товариств на величини від 4% до 28%. Вказаний ступінь збіжності є достатньо високим, що підтверджує коректність і працездатність отриманого в дисертації способу.

Таким чином, розроблена у дисертації імітаційна модель дозволяє: розрахувати сили інерції і реакції, що виникають при цьому в кріпленні, з урахуванням прогнозованих погодних умов в майбутньому рейсі, на відміну від інших методик, орієнтованих на розрахунок сил інерції в найбільш несприятливих умовах; підібрати відповідний кріпильний матеріал (ланцюг, трос, талреп або ін.), який забезпечує цілісну доставку вантажу; визначити вплив коефіцієнту тертя на величину сил інерції і реакції у відтяжках, що теж впливає на кількість кріпильного матеріалу, тому що коли сили тертя більше горизонтальної сили інерції, то значення реакцій в кріпленні обертаються на нуль; здійснити найбільш точний прогноз можливих максимальних сил інерції, враховуючи комбіновані дії зовнішніх сил (сили вітру, вітрового хвилювання, висоти хвиль) і, отже, забезпечити безпечне і економічно ефективне кріплення вантажу – не тільки стандартного контейнера, цілого штабеля контейнерів, але й негабаритного і будь-якого іншого вантажу.

ВИСНОВКИ

Вже на цей час значна частина світових вантажопотоків припадає на транспортування вантажів контейнерами. Їх цілісне перевезення морем вимагає забезпечення не тільки високого рівня навігаційної і морехідної безпеки, але й вибору надійної схеми і міцних засобів кріплення контейнерів. Зараз у практиці контейнерних перевезень найбільш вагомими міжнародними морськими класифікаційними товариствами "Det Norske Veritas", "Lloyd’s Register", "Germanischer Lloyd’s" і "Bureau Veritas" використовуються різні методики. Але й вони не забезпечують необхідного рівня надійності, і втрати вантажів практично не зменшуються. Основною причиною цього є недостатній рівень наукової проробки питання, відсутність для контейнеровозів програми, яка б дозволила розрахувати інерційні сили і, порівнюючи їх з нормативним навантаженням наявного кріпильного матеріалу, вибрати тип і схему кріплення, враховуючи при цьому координати вантажу, його вагу, розміри і погодні умови на трасі переходу судна, тим самим не піддаючи ризику цілісну доставку вантажу до пункту призначення. Тому основним напрямом дисертаційного дослідження вибрано розробку методу оптимізації схеми кріплення контейнерів для підвищення цілісності вантажу під час перевезення.

У проведених дослідженнях отримано наступні наукові результати.

1. Вперше запропоновано метод формування оптимальної схеми кріплення і вибору оптимального кріпильного матеріалу, який відрізняється від існуючих і орієнтованих на розрахунок у найбільш несприятливих умовах тим, що додатково враховує комбіновану дію інерційних і зовнішніх сил залежно від погодних умов, розмірів вантажу і його розташування на судні, що дозволяє сформувати надійну схему кріплення як стандартного контейнера, так і негабаритного вантажу.

2. Визначено параметри, які впливають на цілісність вантажу при його перевезенні морем у різних погодних умовах та належать урахуванню в кожному конкретному випадку.

3. Визначено величини сумарних інерційних сил, що діють на вантаж.

4. Розроблено методику раціональної стратегії кріплення вантажів, що враховує для кожного контейнера не тільки величину діючих сил, але і його розташування на судні.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що:

§ запропонований в роботі метод формування оптимальної стратегії кріплення вантажів може бути використаний не тільки для розрахунку кріплення контейнерів, але й для інших типів генеральних вантажів;

§ розрахунок оптимальної схеми кріплення дозволяє перевізнику скоротити витрати на кріпильний матеріал, тобто з’являється можливість скоротити кількість кріпильного матеріалу, його довжину і діаметр;

§ програми та імітаційна модель можуть бути використані і впроваджені у берегових підрозділах планування завантаження суден та у навчальному процесі.

§ результати дисертаційної роботи вже знайшли своє застосування на контейнерній лінії "CCLL"; у компанії "Одемара-інтер", що експедирує контейнери; контейнерному терміналі Одеського морського торгівельного порту і на деяких контейнеровозах судновласника "Oskar Wehr", що підтверджується актами впровадження.

Достовірність результатів роботи підтверджена коректним застосуванням математичних моделей, а також імітаційним моделюванням, виконаним за допомогою розроблених комп'ютерних програм. Максимальні значення складових сил інерції, що діють на вантаж, розраховані за допомогою методик різних класифікаційних товариств, відрізняються одне від одного не більше ніж на 50%. Максимальні значення складових сил інерції, які розраховано за запропонованим в роботі способом, відрізняються від результатів розрахунку за іншими методиками в середньому на величину 4...28%. Вказаний ступінь збіжності є достатньо високим, що підтверджує коректність і працездатність отриманого в дисертації способу.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ,
ЩО ВІДБивАЮТЬ ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Савчук В.Д. Контейнерні перевезення на лінії між портами Північної і Південної Америки / Савчук В.Д., Бичков Д.В. // Судноводіння: Зб. наук. праць / ОНМА. – Вип. 7. – Одеса: Латстар, 2004. – С. 76-82. (Здобувачем здійснено рейсові дослідження особливостей перевезення контейнерів між портами Північної і Південної Америки).

2. Савчук В.Д. Забезпечення безпеки плавання судна і збереженого перевезення контейнерів на палубі / Савчук В.Д., Бичков Д.В. // Судноводіння: Зб. наук. праць / ОНМА. – Вип. 10. – Одеса: Латстар, 2005. – С. 26-35. (Здобувачем запропоновано теоретичний розрахунок сил інерції, які діють на контейнери).

3. Бичков Д.В. Розрахунок кріплення негабаритних вантажів при їх перевезенні на палубі контейнеровоза / Бичков Д.В. // Судноводіння: Зб. наук. праць / ОНМА. – Вип. 11. – Одеса: ВидавІнформ, 2006. – С.20-29.

4. Бичков Д.В. Оптимізація схеми кріплення палубних вантажів / Бичков Д.В. // Судноводіння: Зб. наук. праць. / ОНМА. – Вип.13. – Одеса: Видавінформ, 2007. – С. .

5. Бичков Д.В. Перевезення на т/х “Spica” контейнерів між портами Північної і Південної Америки / Бичков Д.В., Савчук В.Д. // Мат. 55-ої наук. і наук.-метод. конф. проф. складу і курсантів. – Одеса: ОНМА, 2003.
– С. 24-27.

6. Бичков Д.В. Забезпечення безпеки плавання підлягаючого зберіганню перевезення контейнерів на палубі. / Бичков Д.В., Савчук В.Д. // Мат. наук.-техн. конф. “Стан і проблеми судноводіння”. – Одеса: ОНМА, 2005.
– С. 15-23.

7. Бичков Д.В. Математична модель розрахунку схеми кріплення палубних вантажів / Бичков Д.В. // Мат. наук.-техн. конф. “Інтегровані комплекси транспортних засобів і безпека судноводіння”. – Одеса: ОНМА, 2007. – С. .

АНОТАЦІЯ

Бичков Д.В. Удосконалення і оптимізація схеми кріплення контейнерів для підвищення збереження вантажу при перевезенні. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.20 – експлуатація та ремонт засобів транспорту. Одеська національна морська академія, Одеса, 2008 р.

Основним напрямком дисертаційного дослідження обрано вивчення сил, що діють на контейнери під час руху судна, міцність і стійкість кріплення контейнерів при їхньому перевезенні в несприятливих гідрометеорологічних умовах – розробка методики розрахунку оптимального кріплення вантажів.

Максимальні значення складових сил інерції, розраховані запропонованим в роботі способом, відрізняються від результатів розрахунку за іншими методиками на 4-28%, що підтверджує коректність отриманого способу. Отриманий спосіб розрахунку максимальних значень сил інерції є достатньо гнучким, оскільки враховує можливі погодні умови на відміну від інших методик, орієнтованих на розрахунок сил інерції в найбільш несприятливих умовах. Розроблений спосіб дозволяє провести найбільш точний прогноз можливих максимальних сил інерції і, отже, забезпечити безпечне і економічно ефективне кріплення вантажу.

Ключові слова: цілісність вантажу, контейнеровоз, оптимальне кріплення, допустиме навантаження.

АННОТАЦИЯ

Бычков Д.В. Усовершенствование и оптимизация схемы крепления контейнеров для повышения сохранности груза при перевозке. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.20 – эксплуатация и ремонт средств транспорта. Одесская национальная морская академия, Одесса, 2008 г.

Проведенный анализ показал, что вопросы обеспечения эффективной системы крепления контейнеров, и силы, которые действуют на них, исследованы не достаточно полно, об этом свидетельствуют часто случающиеся поломки и повреждения контейнеров, их полная потеря – падение за борт.

Таким образом, в качестве основного направления диссертационного исследования выбрано изучение сил, действующих на контейнеры, во время движения судна и наиболее актуальные проблемы прочности и устойчивости крепления контейнеров при их перевозке в неблагоприятных гидрометеорологических условиях, с целью обеспечения сохранной перевозки грузов.

В работе определено главное направление решения задачи сохранной перевозки контейнеров - разработка методики расчета оптимального крепления грузов. Для формализации задачи было произведено аналитическое описание процесса грузовых работ контейнеровоза методами теории исследования операций, при этом была определена размерность задачи, произведен выбор показателей эффективности (надежность средств крепления их прочность и количество) и разработка модели, которая представлена входными управляемыми переменными (вес штабеля контейнеров, равномерное распределение веса в штабеле, количество контейнеров в штабеле) и неуправляемыми переменными (угол крена, угол вертикальной качки, внешние силы, высота волны, направление волнения и ветра), с формализацией связей между указанными переменными.

Максимальные значения составляющих сил инерции, рассчитанные по предложенному в работе способу, отличаются от результатов расчета по другим методикам в среднем на величину: 27% от “Det Norske Veritas”; 5% от “Lloyd’s Register”; 4% от “Germanischer Lloyd’s” и 28% от “Bureau Veritas”. Указанная степень сходимости является достаточно высокой, что подтверждает корректность и работоспособность полученного в диссертации способа. Полученный в работе способ расчета максимальных значений сил инерции является достаточно гибким, так как учитывает возможные погодные условия в отличие от других методик, ориентированных на расчет сил инерции в наиболее неблагоприятных условиях. Предлагаемый способ учитывает кажущуюся частоту качки, которая в значительной степени зависит от частоты вынужденных колебаний волнения, причем эта частота одинакова для всех трех видов качки. Разность частот собственных колебаний и частоты качки влияет на амплитуду колебаний. Остальные методики предполагают качку судна с частотой собственных колебаний, которая может отличаться для килевой и бортовой в несколько раз. Также в предлагаемом способе учитывается смещение по фазе разных типов качки, имеющих одинаковую частоту. Разработанный способ позволяет произвести наиболее точный прогноз