Исследование управляемости судов при знакопеременных перекладках средств управления

По определению Р. Я. Першица [67] судно как управляемая система обладает маневренными свойствами, которые проявляются в процессе его движения. Маневренные свойства состоят из управляемости и маневренности.

Управляемостью называется способность судна двигаться по выбранной судоводителем или заданной траектории. Маневренностью называют способность системы менять элементы движения с некоторой достижимой скоростью. Управляемость характеризует преднамеренное изменение управляемой координаты в нужном судоводителю направлении без учета скорости этого изменения, определяемой маневренностью. Таким образом, управляемость определяет принципиальную возможность совершения судном заданного движения, маневренность же определяет возможность обеспечения должной скоротечности в изменении параметров этого движения. Потеря маневренности системой приводит и к потере управляемости, поскольку изменение любого элемента движения с нулевой скоростью невозможно.

Управляемость судна обеспечивается достаточной эффективностью средств управления. Маневренность обеспечивается, кроме того, эффективным законом угла перекладки рулей.

Если мерой управляемости судна служит угловая скорость вращения на установившейся циркуляции при определенных значениях угла перекладки рулей, то можно сказать, что мерой маневренности должно будет являться угловое ускорение при определенном законе изменения угла перекладки рулей.

Качество управления судном при движении будет определяться:

— обеспеченностью удержания судна в поле допускаемых отклонений относительно заданной траектории;

— выполнением критериев работоспособности рулевых и движительных линий средств управления движением;

— обеспечением экстренного изменения параметров траектории;

— минимально достаточным уровнем энергетических затрат на управление судном.

Несмотря на значительное число работ, проблемы управляемости и маневренности судов как сложной технической системы в настоящее время не получили исчерпывающего решения. Практика эксплуатации показала, что возникает достаточно много затруднений, сбоев и даже аварийных ситуаций по причинам, относящимся к управляемости:

— недостаточная эффективность средств управления;

— сложные путевые и эксплуатационные условия;

— большие габаритные размеры крупных судов и особенно составов;

— неизбежные субъективные ошибки при глазомерном способе управления;

— возникновение ситуаций замедленной маневренности судна;

— часто сложные ситуации в управлении судном и аварии связаны с человеческим фактором.

Ситуации замедления изменения угловой скорости и случаи невыхода судна из циркуляции представляют научный интерес для оценки маневренных свойств судна при знакопеременных перекладках рулей с изменением знака и значения угловой скорости вращения.

Маневры, для совершения которых требуются неоднократные знакопеременные перекладки рулей на значительные углы:

1) Движение по сложному извилистому судовому ходу.

2) Оборот, одерживание, поворот на новый курс.

3) Расхождение судов на встречных курсах и при угрозе столкновения.

4) Различные операции в открытом море (например, швартовки на ходу).

Во всех случаях движения судна по сложной траектории судоводитель не может точно установить момент начала перекладки рулей, назначить величину угла перекладки, чтобы одной перекладкой рулей достичь желаемых результатов. Требуется неоднократное выполнение корректирующих знакопеременных перекладок рулей для успешного выполнения маневра.

Каждый такой маневр судна имеет начальные условия, эволюционное изменение параметров движения после перекладки рулей и имеет продолжение в дальнейших действиях судоводителя при движении судна по судовому ходу.

В ряде случаев могут образовываться ситуации ухудшения маневренности: неприемлемо малое значение углового ускорения при сохранении значительной угловой скорости прежнего направления, приводящее к чрезмерным отклонениям судна по курсу и поперечным смещениям.

Накоплено достаточно много фактов существования зон замедленного изменения угловой скорости вращения судна (зон весьма малых угловых ускорений) при знакопеременных перекладках рулей.

Подводя итог выше сказанному, видим, что проблемы маневренности судна при знакопеременных перекладках рулей могут происходить в следующих случаях:

1. Маневры, содержащие «одерживание» как составную часть, при выполнении которых затруднена или невозможна смена направления вращения судна (например, выход из циркуляции). Углы перекладки рулей значительны и могут достигать максимальных значений для рулевой машины. Наиболее типичным является маневр «оборот».

2. При обеспечении движения судна прямым курсом — зигзагообразные маневры. Углы перекладки — малые.

Оба случая можно квалифицировать как ухудшение или потерю маневренных свойств судном.

Это явление присуще каждому неустойчивому на курсе судну. В одних случаях решение проблемы можно решить путем принятия эффективного закона перекладки рулей и соответствующей инструкции судоводителю. В других случаях решение следует принимать на стадии проектирования судна при обосновании характеристик корпуса и характеристик движительно-рулевого комплекса.

В данной работе рассматриваются вопросы, относящиеся как к теории корабля, так и к теории судовождения.

Теория корабля, рассматривая проблемы управляемости корабля, имеет целью проектирование средств управления судном с такими характеристиками, которые обеспечивали бы судоводителю в дальнейшем потенциальную возможность эффективной и безопасной эксплуатации.

Теория судовождения имеет целью проводку судна по заданному судовому ходу. Судоводитель при визуальном способе оценивает движение судна из рубки по изменяющейся за ней обстановке, ориентируясь главным образом на скорость и направление поворота.

Следует отметить значительный вклад в теорию корабля и в теорию судовождения по рассматриваемому вопросу таких ученых, как Гофман А. Д., Першиц Р. Я., Павленко В. Г., Федяевский К. К., Соболев Г. В., Соларев Н. Ф. и др., научные достижения которых применены в диссертационной работе.

Предыдущие исследователи в основном изучали данную проблему при небольших углах перекладки средств управления и не дали объяснения сути явления ухудшения управляемости достаточного с точки зрения теории корабля.

В данной работе проведено исследование явления ухудшения управляемости и маневренности судов при различных знакопеременных углах перекладки средств управления, объяснена суть явления с точки зрения теории корабля, предложена количественная оценка эффекта ухудшения маневренности, проведены натурные испытания двух морских судов, даны рекомендации проектировщикам и даны обширные рекомендации судоводителям.

Цель работы:

Исследование управляемости, способов и средств управления судном, обеспечивающих судоводителю потенциальную возможность эффективной и безопасной проводки судна по сложному извилистому судовому ходу.

Задачи работы:

1. Разработка математической модели управляемости и маневренности судна и программы для ПЭВМ, необходимых для проведения исследования нестационарных знакопеременных маневров судов.

2. Определение типичных знакопеременных маневров судна, параметры которых могли бы охарактеризовать степень ухудшения маневренности и возможных последствий.

3. Исследование ситуаций ухудшения маневренности судна на перекладку руля при выполнении знакопеременного маневра. Установление причин и выработка эффективного закона перекладки рулей для рекомендаций судоводителю.

4. Выработка рекомендаций проектантам судов при выборе типа и характеристик средств управления судном при необходимом учете свойств маневренности.

При решении различных задач анализа и синтеза сложных систем получило распространение имитационное моделирование. Имитационное моделирование проводится на ЭВМ путем воспроизведения процесса функционирования системы на математической модели. Основным преимуществом имитационного моделирования является возможность решения более сложных задач.

Объект научного исследования. Объектом научного исследования являются водоизмещающие суда, являющиеся неустойчивыми на прямом курсе.

Предмет научного исследования. Предметом научного исследования являются характеристики и свойства управляемости и маневренности судна при знакопеременных перекладках органов средств управления.

Методы исследования. В ходе выполнения исследований применялись следующие методы:

— методы теории корабля в области управляемости судов;

— методы теории судовождения в части обоснования закона перекладки рулей и действий рулевого;

— экспериментальные методы исследования управляемости и маневренности судов;

— численные методы интегрирования систем дифференциальных уравнений;

— элементы математического анализа и вычислительной математики при обработке данных натурных испытаний;

Математические модели разрабатывались до уровня создания программы для расчета на ПЭВМ.

Научная новизна. В итоге выполнения работы получен ряд новых научных результатов:

— предложена новая методика, основанная на законах гидромеханики, по объяснению сути (причин) ухудшения маневренных свойств судна при знакопеременных перекладках средств управления и прогнозирования степени проявления;

— предложена новая методика выполнения проверочных расчетов маневренности судна, реализованная в программе для ПЭВМ;

— приведены рекомендации судоводителю (рулевому) при выполнении знакопеременных маневров (одерживание, оборот, зигзаг, поворот на новый курс) при назначении углов перекладки рулей и режима работы главных двигателей;

— приведены рекомендации проектанту при обосновании характеристик средств управления судном.

— дана новая методика проведения натурных экспресс-исследований маневренности судна при выполнении знакопеременных маневров, дополняющая стандартную методику Регистра.

Основные положения, выносимые на защиту:

— методика теоретических исследований по обоснованию расчетных ситуаций ухудшения маневренных свойств судна при знакопеременных перекладках рулей и способов преодоления возникающих проблем;

— методика теоретических исследований знакопеременного маневра «оборот»;

— методика теоретических исследований зигзагообразных маневров;

— методика оптимизации способов перекладок рулей при движении прямым курсом;

— методика перекладки рукояток управления двигателями при выполнении знакопеременного маневра;

— методика учета маневренных свойств судна при выборе проектантом типа и характеристик средств управления.

Практическое значение.

Обоснованы причины ухудшения маневренных свойств судна при знакопеременных перекладках рулей и даны рекомендации судоводителю по выбору способов реагирования рулем и рукоятками двигателей для преодоления возникших затруднений. Проектантам предложен способ выбора типа и основных характеристик движительно-рулевого комплекса, снижающий отрицательные свойства замедления ускорения при знакопеременных перекладках рулей.

Достоверность.

Достоверность результатов исследования обеспечивается использованием известных и апробированных методик при разработке математической модели маневренности судна и подтверждается натурными испытаниями управляемости и маневренности, проведенными автором диссертации.

Обоснованность научных положений, достоверность выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается представленными в работе тестовыми расчетами.

Реализация работы. Результаты работы внедрены в ОАО «Конструкторское бюро по проектированию судов «Вымпел» и в учебный процесс Нижегородского государственного технического университета имени P.E. Алексеева.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались:

— на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», Нижний Новгород, 17−20 ноября 2009 г.

— на X Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева, Нижний Новгород, 13 мая 2011 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Публикации в изданиях Перечня ВАК РФ:

1. Костюнин, A.C. Маневренность судна при знакопеременных перекладках рулей / А. Б. Ваганов, П. В. Гуров, A.C. Костюнин // Вестник Иркутского государственного технического университета. — Иркутск: ИрГТУ, 2011. — № 4 (51).-С. 66−71.

2. Костюнин, A.C. Анализ результатов натурных исследований маневренности судов / А. Б. Ваганов, A.C. Костюнин // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — Астрахань: АГТУ, 2011. — № 2. — С. 59−64.

3. Костюнин, A.C. Анализ ухудшения маневренности судна при знакопеременных перекладках рулей / А. Б. Ваганов, П. В. Гуров, A.C. Костюнин, К. Е. Сазонов // Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. — СПб: ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, 2012. — № 66. — С. 33−42.

Прочие публикации:

4. Костюнин, A.C. Анализ управляемости судна при выполнении зигзагообразных маневров / А. Б. Ваганов, П. В. Гуров, И. В. Емелина, A.C. Костюнин // Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве: Доклады Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева 17−20 ноября 2009 г. — Нижний Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева, 2009. -С. 131−134.

5. Костюнин, A.C. Обнаружение зоны ухудшения маневренности морского судна /A.C. Костюнин // Будущее технической науки: Сборник материалов X Международной молодежной научно-технической конференции. -Н.Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева, 2011 г. — С. 229.

6. Костюнин, A.C. Исследование ухудшения маневренности судна /А.Б. Ваганов, A.C. Костюнин // Будущее технической науки: Сборник материалов X Международной молодежной научно-технической конференции. — Н. Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева, 2011 г. — С. 229−230.

7. Костюнин, A.C. Исследование зигзагообразных маневров судна /А.Б. Ваганов, A.C. Костюнин // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева. — Н. Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева, 2011 г.-№ 2 (87).-С. 155−161.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и рисунков. Она содержит 194 страницы машинописного текста, 22 таблицы, 172 рисунка, библиографию из 103 наименований, в том числе 2 на иностранных языках.

Выход Коррекция угла перекладки рулен.

Параметры коррекции угла перекладки рулей—-—.

Предыдущий угол коррекции: [ о .граа.

Текущий угол коррекции: | 5, град.

Допуск отклонения по курсу: | 15 .граа.

Далее.

Выхоа.

Рис. 2.3. Фрагменты экрана диалога с программой Теиущи* даниы".

8ремя. с :

Delta.

Крен, гран.

Ди<�рФеренг. грая.

FV1 Рук.2:

Каре, град:

9.51.

ПУ-1.

Кю. м:

222.42 пу-г рпа-.

Eta. м.

3.56.

Dzeta, м:

ПУ (ПВК).

1 2.

УпорГВ иПУ Главные движители.

1 — 57 74.

2 — 58 01.

Раж.

Рк Р" иь.

V ветра, м/с :

5.04.

Garni*.

3.05.

Vt.

Omega:

0.171.

Betta.

0.095.

W1:

0 L.

0.998 4.

W2.

1 2 3.

001 001 0.

0.12 0.13 0 0.

Просмотр дви*#ния корабля в координатной сек" — 1.

Рис. 2.4. Программа в процессе расчета.

2.3.3. Пост-процессорный анализ.

По окончанию расчета необходимые данные извлекались из файлов программы (.BAS) и помещались в файл формата EXCEL (см. рис. 2.5).

С VREMJA. BAS Блокнот І1**" ! npawa Формат £ид Сгравкі t ,.

1000 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 В.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00.

Г BETTA BAS — Блокнот.

Файл «.Прайса чэариат. Вид: ЇСпраег.*- Betta «1000 0.0002 0.0010 0.0023 Q 0042 0.0067 0.0093 0.0123 0.0154 0.0186 0.0221 0.0257.

KY.BAS Блокнот.

Файл Правка Формат Вид Справка.

1-Ку «1000 0.24 0.100 0.240 0.454 0.730 0.1 048 0.1 406 0.1 805 0.2 243 0.2 721 0.3 238 0.3 794 0.4 389 0.5 023.

Рис. 2.5. Извлечение данных из файлов программы.

Затем на основании полученного файла EXCEL в программе MathCAD строились графики (см. рис. 2.6).

Mathcad — [0.Графики.Хи 3, Альфа lu. xmcd].

J File Edit View Insert Format Tools Symbolics Window Help.

В X • eg в, а а у © ¦ s m і? =.

Фп.

100%.

3 si fx xf xfy jfy.

My Site vj i^Go.

Normal yfArial.

Дю «Fl «7 И.

Ш := * fes M # ® *.

А 5 «Г S П J ЇЇЙ^ЙV.

Press F1 for help.

Рис. 2.6. Построение графиков в программе MathCAD.

Для оформления результатов исследований из программы обработки в пакете MathCAD необходимые графики помещались в файлы формата WORD.

2.4. Тестовая проверка программы.

С целью проверки адекватности работы программы AASTART. EXE было произведено ее тестирование. Как реальное судно подвергается натурным испытаниям, так и виртуальное судно (математическая модель) должно было выполнить серию маневров. Характеристики этих маневров должны быть близки к характеристикам маневров судна прототипа. Также критерии устойчивости и поворотливости должны отвечать требованиям Регистра.

Для тестирования программы было выбран танкер проекта 216, для которого были известны данные натурных испытаний, а также составлена математическая модель движения.

Ходовые испытания танкера проекта 216 «АЕТ НА^АЯ» проводились исследовательской партией ООО «Астра — НН»:

— в балласте — 10.11.2009 в районе г. Жигулевск на Куйбышевском водохранилище;

— в грузу — 14.11.2009 в районе г. Волгоград на Волгоградском водохранилище.

Характеристики танкера: Длина по КВЛ, Ь =138,5 м, Ширина по КВЛ, В =16,7 м, Осадка по КВЛ, с1 =4,06 м,.

Коэффициент полноты водоизмещения, Св =0,926.

С помощью компьютерной программы были смоделированы различные маневры танкера проекта 216. Параметры движения судна во время работы программы ежесекундно сохранялись в файл. На основании полученных данных строились траектории движения судна, а также составлялись сравнительные таблицы параметров движения судна.

Для примера в таблице 2.5 представлены параметры маневра циркуляция реального судна-прототипа и математической модели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатами выполненной диссертационной работы являются:

1. Разработана математическая модель управляемости и маневренности судна при знакопеременных перекладках средств управления.

2. Создана программа для ПЭВМ, необходимая для проведения исследования маневренных свойств судна.

3. Установлены характерные знакопеременные маневры судна, при которых возможно ухудшение маневренных свойств.

4. Выяснены гидродинамические причины ухудшения маневренных свойств судна при знакопеременных маневрах.

5. Установлен параметр (превышение угла обратной перекладки рулей над критическим углом), позволяющий обеспечить заданную скоротечность маневра.

6. Разработана методика проведения проверочных исследований маневренных свойств судна на ПЭВМ.

7. Разработана методика определения границ зоны ухудшения маневренных свойств судна при неблагоприятных внешних условиях.

8. Разработана методика оценки влияния начальных условий выполнения маневров, а также перекладок органов управления двигателями.

9. Обоснована методика оптимизированного способа перекладки рулей при зигзагообразном движении на прямом курсе при ручном управлении.

10. Проведены натурные испытания двух морских контейнеровозов и представлены результаты испытаний, подтверждающие наличие зон ухудшения маневренности.

11. Выработаны рекомендации по учету свойств маневренности судна при обосновании характеристик средств управления судном.

12. Выработаны рекомендации судоводителям по предупреждению негативных последствий ситуаций ухудшения маневренных свойств судна.