ПОВОРОТНЫЙ БУКСИРНЫЙ ШВАРТОВНЫЙ МЕХАНИЗМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.
Полезная модель относится к оборудованию для швартовки или перестановки судов и может быть использована автономными буксирами-автоматами для осуществления швартовых операций морских транспортных средств (грузовых судов), в том числе и для обеспечения эскорта или раскантовки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
Известны автоматические швартовые устройства (АШУ), в частности, автоматические электромагнитные швартовые устройства или автоматические вакуумные швартовые устройства, применяемые на судне в операциях швартовки с причалом.
Существующие АШУ предназначены для эксплуатации только на причалах; из-за их конструктивных особенностей не подходят в качестве бортового оборудования для жесткой сцепки во время выполнения морских операций буксирными судами.
Развитие автономного судовождения и концепции «умного порта» требуют технологий швартовки, заменяющих стационарные установки на причале или на судне в операциях швартовки с причалом, а также для подхода лагом к другому судну с целью бункеровки.
Известны швартовые устройства по патентным документам.
«ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ШВАРТОВНОЕ УСТРОЙСТВО», а.с. СССР SU 1 000 340 А1, МПК В63В 21/02, опубл. 11.11.1981, снабжено двумя дополнительными электромагнитами с амортизаторами, один из которых содержит привод, а другой содержит упор, в корпусе судна выполнены три ниши, расположенные в одной горизонтальной плоскости, одна - в диаметральной плоскости, а две другие - симметрично относительно нее по бортам, при этом приводы основного и дополнительного электромагнитов выполнены в виде расположенных в бортовых нишах гидроцилиндров, концы корпуса и штока каждого из которых связаны соответственно с днищем ниши и электромагнитом, посредством шаровых шарниров, упомянутый упор установлен в диаметральной нише и связан одним концом с ее днищем посредством цилиндрического шарнира, а с противоположным концом упора связан электромагнит посредством шарового шарнира, амортизаторы бортовых электромагнитов расположены между корпусми гидроцилиндров и стенками ниш, а амортизаторы диаметрально электромагнита расположены между стенкой ниши и упором с нижней его стороны.
Известно также "ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ШВАРТОВНОЕ УСТРОЙСТВО", а.с. СССР SU 1 661 048 А1 МПК В63В 21/02, опубл. 07.07.1991 г., включающее электромагнитную систему, содержащую корпус с обмоткой катушки электромагнита, электрически связанной с источником питания на берегу, причем, корпус установлен на причале посредством установленного с возможностью перемещения в вертикальных направляющих ползуна и демпферов с возможностью взаимодействия с якорем электромагнита, размещенным на корпусе судна. Указанные демпферы установлены между упомянутым причалом и направляющими, а сам корпус шарнирно соединен с ползуном посредством сферического шарнира.
В патенте RU 2013287 C1, В63В 21/00, опуб. 30.05.1994 г., представлено «СУДОВОЕ ШВАРТОВНОЕ УСТРОЙСТВО», содержащее основание, установленное на палубе. На основании установлен манипулятор с двумя рычагами и электромоторными и электромагнитными включателями. На свободном конце рычага установлен отшвартовный элемент. Швартовая ловушка выполнена с одним пазом М-образной формы и взаимодействует со швартовым элементом.
Цель этого изобретении - обеспечение надежной подачи на причал (или другое судно) и возвращение (отдачу) швартового элемента на судно при любых сложных эксплуатационных условиях без применения ручного труда со значительным снижением трудовых и материальных затрат на его изготовление.
Известно «ШВАРТОВОЕ ПРИЧАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО» по патенту RU 2723697 С1, МПК В63В 21/02, опуб. 17.06.2020, предназначенное для магнитной швартовки безэкипажных судов. Швартовое причальное устройство содержит электромагнит, закрепленный через амортизатор на причальной стенке и подключенный через управляемое реле к источнику электроснабжения. Также устройство дополнительно снабжено установленным на причале блоком управления, вход которого подключен к источнику электроснабжения, а выход - к управляемому реле. Блок управления выполнен с возможностью взаимодействия с навигационными спутниковыми системами GPS/ГЛОНАС. В свою очередь электромагнит выполнен с возможностью стыковки с ответным элементом, установленным на корпусе безэкипажного судна. Достигается возможность автоматизированной швартовки судов без вмешательства в управление удаленного оператора.
Предлагаемое устройство решает проблему автоматизированной швартовки безэкипажных судов.
Указанный результат достигается за счет радиосвязи между водным (судном) и наземным (причалом) объектами, осуществляемой через спутниковую навигационную систему и приемно-передающие устройства объектов. Организация радионавигационного сообщения между судном и причалом позволяет в свою очередь создать магнитное поле между ними непосредственно перед швартовкой судна.
Известно «ШВАРТОВОЕ ПРИЧАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО» по патенту RU 2734644 С1, МПК В63В 21/02, опуб. 21.10.2020, относящееся к техническим средствам для электрического питания и зарядки аккумуляторных батарей безэкипажных или автономных надводных судов при их швартовой стоянке. Швартовое причальное устройство содержит блок управления, расположенный на верхней горизонтальной плоскости устройства и включающий связанные между собой АИС-транспондер, RTK-базовую станцию, радиомодем УКВ, предназначенный для беспроводной передачи данных от RTK-базовой станции, и ЭВМ, выход которой подсоединен к управляемому реле. Дополнительно содержит на боковой вертикальной плоскости направляющую ось со скользящим в зависимости от уровня воды по ней устройством, объединяющем поплавок и электрическое контактное устройство. Технический результат заключается в подключении безэкипажных или автономных надводных судов к электрической сети для питания или подзарядки судовых источников тока во время стоянки. Осуществляется автоматическая швартовка в условиях колебания уровня воды.
ПО ДАННЫМ ЗАРУБЕЖНЫХ ПАТЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ:
ПАТЕНТ CN 108674582 - АВТОМАТИЧЕСКОЕ МАГНИТНОЕ ШВАРТОВНОЕ УСТРОЙСТВО
Изобретение предусматривает автоматическое магнитное швартовое устройство и относится к технической области судостроительного оборудования. Автоматическое магнитное швартовое устройство используется для причала судна на причале или причала между водными судами. Автоматическое магнитное швартовное устройство включает в себя основание, блок управления, механический рычаг, гидравлический цилиндр, сферическое соединение, электромагнитную присоску, датчик смещения и датчик трехосных сил.
В соответствии с недостатками существующих технологий схемы швартовки судна, изобретение предлагает автоматическое магнитное швартовное устройство, которое может автоматически воспринимать положение судна и быстро пришвартовать судно, предотвращая трение и столкновение между судном и доком, и может освободить и ингибировать амплитуду движения и скорость судна на шести степенях свободы, регулируя ход гидравлического цилиндра и положение роботизированной руки после завершения швартовки, и повышает стабильность швартовки.
ПАТЕНТ CN 208947539 - СУДОВАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ШВАРТОВНАЯ МАШИНА
Полезная модель относится к области пришвартованных якорных кабелей судов, в частности к морскому гидравлическому кабельному аппарату. Полезная модель раскрывает гидравлическую швартовную машину для судна.
ПАТЕНТ CN 211816034 - УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЯКОРНОЙ СТОЯНКИ СУДНА.
Полезная модель раскрывает устройство крепления для стоянки судна, которое содержит, по меньшей мере, один комплект электромагнитного механизма патрона, механизм поглощения гидравлической энергии и гидравлическую станцию.
ПАТЕНТ US 20070084395 - СИСТЕМА ШВАРТОВКИ И СТЫКОВКИ ВОДНЫХ СУДОВ.
Раскрыты системы, способы и устройство для стыковки и швартовки плавсредства. Примерное устройство может иметь стальной материал или электромагнитный генератор, соединенный с судном, включая судно, корпус которого из черного металла. Устройство может также иметь электромагнитный генератор, соединенный с док-станцией для селективного создания магнитного поля для притягивания или противодействия магнитному силовому полю, создаваемому бортовым электромагнитным генератором. Устройство связи может использоваться для связи с управляющим устройством для активации электромагнитного генератора.
Описанные конструкции не применяются при выполнении комплекса морских операций, выполняемых буксирами - раскантовка, эскорт, швартовка, по причине отсутствия необходимого уровня надежности конструкции, которая обосновывается приложенными силами и моментами, возникающими во время морских маневров. Отсутствующая жесткость конструкций у рассматриваемых аналогов компенсируется количеством размещаемых единиц. В случае возникновения качки используется технология, при которой определенная единица осуществляет «перешагивание» по очереди с другими размещенными устройствами. Данная технология актуальна в случае размещения множества устройств, что в свою очередь невозможно на борту буксира-автомата
Описанные аналоги, как отечественные, так и зарубежные, невозможно применять в случае необходимости выполнения морских маневров как лагом, так и баком (кормой), а также под углом, т.к. в их конструкции не предусмотрен соответствующий поворотный механизм.
Известны по патентным документам технические решения, конструктивно более близкие к назначению заявляемого устройства, однако они тоже не решают поставленную задачу.
Известен «СУДОВОЙ МАНИПУЛЯТОР» по патенту RU 2049698 С1 МПК В63В 21/02, опуб. 10.12.1995 г., содержащий основание, на котором шарнирно установлен гидроцилиндр, взаимосвязанный с поворотным рычагом, на котором установлен электродвигатель, приводящий в движение микролебедку, на барабане которой расположен трос, обеспечивающий выбор (подъем) швартового троса из береговой ловушки, расположенной на причале, и перенос его на судно. На конце рычага манипулятора установлено захватное устройство для удержания швартового троса с шаровым окончанием, снабженное разжимным механизмом, который приводится в действие тросиковой тягой в момент выхода рычага в конечное рабочее положение. Другой конец тросиковой тяги закреплен на корпусе судна.
Известно «СУДОВОЕ ШВАРТОВНОЕ УСТРОЙСТВО» по патенту RU 2013287 С1, МПК В63В 21/02, опуб. 30.05.1994 г, содержащее основание, установленное на палубе. На основании установлен манипулятор с двумя рычагами и электромоторными и электромагнитными включателями. На свободном конце рычага установлен отшвартовный элемент. Швартовая ловушка выполнена с одним пазом М-образной формы и взаимодействует со швартовым элементом.
Известна «УЛУЧШЕННАЯ ОТСОЕДИНЯЕМАЯ ПЛАВУЧАЯ ШВАРТОВНАЯ СИСТЕМА С ТУРЕЛЬЮ» по патенту RU 2412080, МПК В63В 21/50, опуб. 20.02.2011 г.
Система содержит судно с полостью в нижней его части, турель, проходящую от уровня палубы в полость, и причальный буй, имеющий возможность соединения с полостью через соединительный механизм. Буй поддерживает, по меньшей мере, одну водоотделяющую колонну, при этом водоотделяющая колонна имеет на своем конце соединительный элемент и имеет возможность скольжения через отверстие в буе. Соединительный элемент водоотделяющей колонны выполнен с возможностью прикрепления к подвижному транспортировочному элементу, предназначенному для подъема водоотделяющей колонны до уровня палубы для присоединения соединительного элемента к передаточному каналу на судне. Достигается повышение надежности швартовки, а также ускорение процессов присоединения и отсоединения.
Известно «ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ШВАРТОВОЕ УСТРОЙСТВО» по патенту на полезную модель RU 40286 U1, МПК В63В 21/02, опуб. 10.09.2004 г. Относится к вспомогательному оборудованию по швартовке транспортных средств с электротягой, в частности судов. Технический результат: автоматическое подключение к береговой сети, возможность пуска от нее гребных двигателей и подзарядки аккумуляторной батареи.
Сущность: электромагнитная система в виде трансформатора, сердечник которого состоит из двух частей, несущих первичную и вторичную обмотки, заключенных в отдельные корпуса, один из которых с первичной обмоткой закреплен с помощью амортизаторов на колонке причала, а другой прикреплен к станине, установленной на носовой или кормовой оконечности судна, посредством телескопической штанги со сферическими шарнирами на концах, с осевым пружинным амортизатором и радиальными пружинами, связывающими ее со станиной. Первичная обмотка подключена к береговой электросети, а вторичная - к судовой. На боковой поверхности концов стержней обеих частей сердечника и корпусов установлены элементы для наведения и стыковки сердечника. При подходе судна к причалу корпус, обладая свободой перемещения благодаря штанге, пружинам и шарнирам, с помощью направляющих и роликов сближается с корпусом, где размещена первичная обмотка. Насадки на стержнях сердечника обеспечивают точное сочленение его 2-х частей.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Технической задачей, на которую направлена предлагаемая полезная модель, является обеспечение безопасного и быстрого выполнения морских маневров (эскорта, раскантовки, швартовки-отшвартовки) при реализации безэкипажного метода осуществления морских маневров, не требующего участия людей непосредственно на борту судов.
Техническая задача достигается тем, что предложен поворотный буксирный швартовный механизм, характеризующийся тем, что оснащен гидравлическими и механическими конструктивными элементами, обеспечивающими движение и повороты механизма по трем пространственным осям X, Y, Z и взаимодействие со средствами жесткой сцепки, при этом поворотный механизм включает круглое основание, установленное с возможностью вращения на обеспечивающем устойчивость штоке с утяжеленной нижней частью, две расположенные параллельно пластины, установленные с возможностью смещения относительно осей X, Y, Z, на одной из которых размещены магнитные узлы для обеспечения жесткой сцепки, на наружной цилиндрической поверхности основания равномерно расположены зубцы для эвольвентного зацепления с передаточным механизмом, на основании установлены две вертикальные опоры, соединенные жесткой металлоконструкцией, к каждой из которых с помощью шарнирных соединений закреплены парами четыре цилиндра с размещенными в них штоками и пружинами для обеспечения движения штоков на прижимание и отжим, а также смещения двух параллельных пластин относительно осей X, Y, Z, на концах штоков размещены шарнирные соединения для закрепления одной из пластин и смещения в пространстве пары пластин, на этой пластине с обратной стороны размещены пружины и шарнирное крепление для соединения со второй пластиной с размещенными магнитными узлами для жесткой сцепки, при этом поворотный механизм включает гидроцилиндры с размещенными в них амортизирующими пружинами и оборудован выполненной из горизонтальных и вертикальных соединенных шарнирно и жестко стержней шарнирной стержневой конструкцией, которая соединяет для синхронного смещения в пространстве цилиндров с размещенными в них штоками и пружинами, и гидроцилиндры, расположенными наклонно для обеспечения необходимого хода штоков гидроцилиндров таким образом, что нижние концы гидроцилиндров прикреплены к основанию, а верхние шарнирно прикреплены к верхнему горизонтальному стержню шарнирной стержневой конструкции для обеспечения вертикального смещения пластин, причем, пластина с размещенными магнитными узлами, оставаясь параллельной другой пластине, установлена с возможностью поворота для обеспечения максимальной площади контакта со сцепляемой поверхностью, кроме того, на основании с противоположной стороны от пластин размещается противовес.
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ
Технический результат заключается в том, что предлагаемая конструкция механизма для судовой швартовки учитывает разные типы качек, компенсируя качку при выполнении жесткой сцепки, сохраняя высокую степень надежности при распределении нагрузки и не допуская высокого концентрирования напряжения в металлоконструкции.
Технический результат достигается благодаря взаимосвязи узлов конструкции вертикальных и горизонтальных гидравлических узлов с использованием шарнирных и пружинных соединений.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Конструкция с поворотным механизмом обоснована необходимостью выполнения морских маневров как лагом, так и баком (кормой), а также под углом. Заявленная конструкция обеспечивает швартовые операции морских транспортных средств (грузовых судов) в таких условиях.
Заявленная конструкция состоит из штока с утяжеленной частью, которая предназначена для усиления конструкции и распределения нагрузки, смещая центр тяжести. Таким образом, основное усилие будет распределяться и не будет концентрироваться на динамических узлах.
На основании с зубьями размещена опорная металлоконструкция, которая служит как опорой, так средством распределения нагрузки. Зубья предназначены для зацепления в цилиндрической передаче для вращения механизма.
Металлоконструкция, шарнирно-стержневые и жестко-стержневые конструкции, гидроцилиндры, упорные гидро-пружинные цилиндры и соединенные с помощью шарнирных креплений необходимы для обеспечения узла жесткой сцепки большего количества степеней свободы. В цилиндрах размещаются пружины для создания усилия и амортизации подвижных штоков. Цилиндры гидро-пружинных цилиндры соединены жесткими и шарнирными стержневыми конструкциями для дополнительной общей жесткости и параллельного смещения в пространстве для равномерного распределения усилий. Жесткая стержневая конструкция соединена с гидравлическими цилиндрами для обеспечения вертикального смещения. Так же гидравлические цилиндры оснащены пружиной, для общей амортизации хода, в особенности при снижении давления в самих цилиндрах.
Упорные гидро-пружинные цилиндры компенсируют нагрузку от навала, отхода и подходе буксира к грузовому судну. За счет 4-х подвижных штоков изменяется положение закрепленной пластины с узлами, обеспечивающих жесткую сцепку в пространстве относительно корпуса швартуемого грузового судна.
Описываемая конструкция оснащена противовесом с обратной стороны от расположения пластины с узлами жесткой сцепки.
Таким образом, описываемая конструкция оснащена амортизирующими узлами при вертикальном и горизонтальном усилии. Конструкция обладает жесткостью за счет металлоконструкций.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ поясняется графическими материалами, на которых изображены:
На фиг. 1 - представлено объемное изображение устройства и частично боковое сечение.
УСТРОЙСТВО СОДЕРЖИТ
1 - круглое основание;
2 - утяжеленный шток;
3 - пластина;
4 - пластина (с размещенным узлом для жесткой сцепки);
5 - зубцы;
6 - вертикальные опоры;
7 - опорная металлоконструкция;
8 - шарнирное соединение (для 4-х упорных гидро-пружинных цилиндров);
9 - цилиндры (узел упорных гидро-пружинных цилиндров);
10 - штоки (узел упорных гидро-пружинных цилиндров);
11 - пружина (узел упорных гидро-пружинных цилиндров);
12 - шарнирное соединение (на конце штока упорного гидро-пружинного цилиндра));
13 - пружина (размещена между пластинами);
14 - шарнирное соединение (размещена между пластинами);
15 - шарнирно-стержневая конструкция;
16 - гидроцилиндр;
17 - амортизирующая пружина гидроцилиндра;
18 - шарнирное соединение (для крепления гидроцилиндра и жестко-стержневой конструкции);
19 - противовес;
20 - шарнирное соединение (для крепления шарнирно-стержневой конструкции и цилиндра упорного гидро-пружинного цилиндра);
21 - жестко-стержневая конструкция.
Поворотный механизм для судовой швартовки содержит круглое основание 1, установленное с возможностью вращения на обеспечивающем устойчивость утяжеленном штоке 2, две расположенные параллельно пластины 3, 4, установленные с возможностью проворачивания в оба направления по определенной длине дуги, на пластине 4 размещены магнитные узлы для обеспечения жесткой сцепки, на наружной цилиндрической поверхности основания 1 равномерно расположены зубцы 5 для эвольвентного зацепления с передаточным механизмом. На основании 1 установлены две вертикальные опоры 6, соединенные с жесткой опорной металлоконструкцией 7, к каждой из которых с помощью шарнирных соединений 8 закреплены парами четыре цилиндра упорного гидро-пружинного цилиндра 9 с размещенными в них штоками 10 и пружинами 11 для обеспечения движения штоков 10 на прижимание и отжим. На концах штоков 10 размещены шарнирные соединения 12 для закрепления пластины 3 и смещения в пространстве пары пластин 3, 4 относительно вертикали. На пластине 3 обратной стороны размещены пружины 13 и шарнирные крепления 14 для соединения и компенсирования смещения относительно горизонта с пластиной 4, с размещенными магнитными узлами для жесткой сцепки. Механизм оборудован шарнирно-стержневой конструкцией 15, которая соединяет для синхронного смещения в пространстве цилиндры упорных гидро-пружинных цилиндров 9, с размещенными в них штоками 10 и пружинами 11. Гидроцилиндры 16 с размещенными в них амортизирующими пружинами 17 располагаются под углом к основанию 1, для обеспечения необходимого хода штоков гидроцилиндров 16 для обеспечения смещения пластин 3, 4 по вертикали. На основании 1 с противоположной стороны от пластин 3, 4 размещается противовес 19. Шарнирно-стержневая конструкция 15, соединяется с цилиндром гидропружинного цилиндра 9 с помощью шарнирного соединения 20, жестко-стержневая конструкция 21 крепятся к гидроцилиндрам 16 с амортизирующей пружиной 17 с помощью шарнирного соединения 18, для обеспечения вертикального смещения пластин 3, 4.
УСТРОЙСТВО РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ.
Управление конструкцией осуществляется дистанционно с возможностью автоматического управления без привязки к конкретному узлу для жесткой сцепки - магнитному.
При швартовке буксира к грузовому судну подается сигнал на управляющий механизм для поворота конструкции относительно судна для жесткой сцепки таким образом, чтобы плоскость пластины 4 поворотной конструкции и корпуса грузового судна были параллельны. При соприкосновении пластины 4 с бортом грузового судна подается сигнал на включение магнитного узла. Таким образом, осуществляется швартовка буксира к грузовому судну.
При работе буксира на укол в телескопическом упорном пружинном цилиндре происходит сжатие пружины 11 и за счет сокращения длины вылета штока 10 возникает плотный контакт отбойного устройства буксира с бортом грузового судна для уменьшения нагрузки на швартовное поворотное устройство. Таким образом, работа на укол буксир осуществляет непосредственно своим корпусом, при этом сохраняя свое местоположения у борта грузового судна за счет жесткой сцепки (магнитной) с бортом грузового судна.
При отходе буксира от борта судна у телескопического упорного пружинного цилиндра увеличивается длина вылета штока 10, что позволяет создать дистанцию буксиру между бортом судна во избежание упора реактивной струи винторулевой колонки в борт грузового судна. При этом, благодаря шарнирным закреплениям 8, 12, 14, 18, 20, цилиндро-пружинным устройствам осуществляется компенсация всех видов качек, что предотвращает повреждение конструкции.
Благодаря поворотной швартовной конструкции, буксир может осуществить разворот для осуществления эскорта и раскантовки относительно точки крепления буксира с бортом грузового судна.
При завершении буксирных операций подается управляющий сигнал для отключения магнитного узла с последующим отходом буксира от борта грузового судна.
Благодаря механическим амортизирующим пружинам 11 в телескопическом упорном пружинном цилиндре буксирное поворотное швартовное устройство возвращается в исходное походное положение. После чего, подается управляющий сигнал для разворота конструкции для возвращения в походное положение.
НАДЕЖНОСТЬ УСТРОЙСТВА.
Надежность устройства была подтверждена экспериментами.
С целью обоснования жесткости конструкции, был произведен эксперимент, описывающий состояние и поведение узлов при разных нагрузках на статику и устойчивость.
Проведенный эксперимент выявил ожидаемую концентрацию напряжения среди зубьев цилиндрического зацепления, а также шарнирных соединениях. Статический анализ подтвердил необходимость вертикального штока для удерживания телескопического узла. Спектральная карта эксперимента указывает на оптимальный вариант конструкции заявленной.
На механизме отсутствует стопорный механизм так таковой для фиксации положения конструкции в пространстве относительно корпуса судна. При выполнении эскорта, раскантовки и прочих морских операций с помощью буксира швартовное устройство выполняет роль узла связи между буксира и грузовым судном, поэтому при выполнении некоторых морских маневров будет контакт корпусов, снижая нагрузку, усилие с поворотного швартовного устройства за счет корпуса самого корпуса.