СПОСОБ ОТРЫВА ПЛАВАЮЩЕГО ОБЪЕКТА С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ НА ВОЛНЕНИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR RELEASE OF FLOATING OBJECT FROM WATER SURFACE IN WAVES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области судостроения, а именно к судовым грузоподъемным устройствам, в частности, к судовым кранам стрелового типа с ограничителями грузоподъемности, используемым для работы с плавающими объектами на волнении и для других перегрузочных операций в море.
Процесс отрыва плавающего объекта от поверхности воды и его дальнейший подъем судовым краном установленной грузоподъемности относится к наиболее сложной грузовой операции, зависимой от целого ряда случайных факторов, таких как скорость ветра, интенсивность волнения и тип волн в акватории, изменяемые параметры колебаний плавающего объекта, включая массу присоединяемой воды при отрыве и положение судна-носителя грузоподъемного устройства на волнении и т.д. Для безопасного отрыва плавающего объекта необходимы корректировки грузоподъемности судового крана с учетом конкретных условий проведения грузовой операции. Существуют рекомендации по учету совокупности случайных факторов при проведении грузовых операций в море с помощью коэффициента динамичности, определяемого как отношение ожидаемого наибольшего динамического усилия к статическому усилию расчетной нагрузки. Правилами Морского Регистра, например, коэффициент динамичности для грузоподъемных устройств нормируется в зависимости от грузоподъемности устройства, скорости подъема/опускания груза, принятых запасов прочности (Правила по грузоподъемным устройствам морских судов. РМРС. 2021 г.).
Более универсальным способом корректировки грузоподъемности судовых кранов с целью снижения их динамичности и возникающих перегрузок при выполнении грузовых операций в море является использование устройств слежения за качкой, например, следящих устройств с использованием троса-проводника (См., например, Л.Н. Андреева и др. «Средства передачи грузов на судах в море». Судостроение. Л. 1973). В этих устройствах трос-проводник закрепляется на качающемся (плавающем) объекте, а второй его конец используется для дополнительного воздействия на механизм подъема крана, изменяя его тяговое усилие с помощью специальных сервоприводов. Способы отрыва плавающего (качающегося) груза от поверхности воды с использованием устройств слежения за качкой позволяют существенно снизить динамические воздействия на судовой кран, эффективно использовать его допустимую грузоподъемность, но при этом существенно усложняется конструкция механизма подъема и система управления краном в режиме слежения за качкой.
Известен способ безопасного подъема груза на качке (патент US 9902596 от 27.02.2018 «System and method to determine relative velocity of crane and target load») за счет прямого измерения вертикальных перемещений груза и нока стрелы крана на судне-перегружателе, позволяющих в реальном времени определять работу, параметры нагрузки крана в текущий момент времени. Метод основан на применении лазерного устройства, монтируемого на ноке стрелы и используемого для постоянного контроля расстояния между качающимся грузом и ноком стрелы. Оценить эффективность предлагаемого аналога не представляется возможным из-за отсутствия информации, но кроме сложной и объемной процессорной системы для обработки считываемых параметров, можно указать его недостаток - трудность со стабилизацией лазерного луча на качающихся объектах.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ отрыва плавающего объекта, базирующийся на устройстве «Лебедка для подъема плавающих грузов» по патенту RU 157045 от 20.11.2015, принятый за прототип. В соответствии с прототипом способ отрыва плавающего объекта с поверхности воды на волнении основан на подъеме застропленного плавающего объекта, находящегося под действием предварительного натяжения грузового каната и сил плавучести объекта. Вертикальные перемещения на поверхности волны плавающего объекта преобразуются грузовым канатом в колебательные вращения барабана гидроприводной лебедки, которые фиксируются датчиками угловых скоростей барабана. Выходные сигналы с датчиков угловых скоростей используют для управления производительностью гидропривода лебедки.
К недостаткам способа отрыва плавающего объекта на базе прототипа следует отнести:
- грузовые операции по отрыву плавающего объекта с поверхности воды на волнении вследствие возможных перегрузок могут выполняться только судовым краном, снабженным в соответствии с требованиями действующих нормативных документов ограничителем грузового момента, имеющим ограничения в применении по сравнению с судовыми кранами с ограничителями грузоподъемности;
- не нормированы усилия предварительного натяжения грузового каната при выполнении подъемно-транспортных операций с различными плавающими объектами, что может способствовать нарушению процесса плавучести объекта на поверхности волны в ходе выполнения грузовой операции с ним;
- не учитываются произвольные раскачивания нока стрелы крана вместе с судном-носителем, оказывающие влияние на положение плавающего объекта относительно волны и затрудняющие его всплытие на гребень волны;
- затруднено фиксирование положения плавающего объекта на гребне волны, т.е. положения объекта с максимальной скоростью всплытия на волне в текущий момент, при этом отрыв плавающего объекта с волны за ее гребнем может способствовать существенной перегрузке морской волной грузового каната и несущих крановых конструкций, особенно для судовых кранов с ограничителями грузового момента, нарушая тем самым требования по обеспечению безопасного подъема объекта в пределах допускаемой рабочей нагрузки (SWL) на кран.
Известен способ управления подъемом двухкорпусного плавучего объекта и устройство для его осуществления (патент RU 2556135 от 10.07.2015 «Способ управления подъемом двухкорпусного плавучего объекта и устройство для его осуществления»), при котором грузовые лебедки выносных спуско-подъемных устройств судна обеспечивают подъем двухкорпусного объекта до его отрыва от поверхности моря с определенной скоростью независимо от фазы волны, при этом следящие лебедки грузового каната устанавливают на тормоз и создают усилие выбирания в грузовых канатах, адекватное номинальному весу объекта, которое в ходе последовательных колебаний поддерживают постоянным по величине работой амортизатора.
Известны устройства для отрыва плавающих объектов с поверхности воды на волнении, позволяющие снизить динамичность грузовых операции на море за счет использования энергии морских волн, изложенные в патентах SU 1291490 от 23.02.1987 «Спуско-подъемное устройство для плавсредств» и RU 157045 от 20.11.2015 «Лебедка для подъема плавающих грузов». Отрыв плавающего объекта посредством предлагаемых устройств производят, когда последний находится на гребне волны и вертикальная скорость всплытия у которого достигла своего максимума в пределах установленной SWL нагрузки. При этом требуется наличие специальных устройств определения положения плавающего объекта на гребне волны. Точность определения момента нахождения объекта на гребне волны достаточно низкая.
Известно устройство управления судовым краном с ограничителем грузового момента по патенту ЕР 2524892 от 08.01.2014 «Crane control», которое позволяет определить текущее значение предельно допустимой нагрузки на кран, инструментально определив положение и параметры движения нока стрелы на качающемся судне. Разработанный для этой цели измерительный блок с использованием гироскопа, акселерометров и электронных датчиков наклона достаточно универсален, может устанавливаться на стреле, корпусе крана и даже на плавающем объекте, что позволяет использовать судовой кран с ограничением по грузовому моменту безопасно по прямому назначению и с высокими SWL нагрузками. К недостаткам рассмотренных устройств следует отнести наличие «точки отсчета» в используемых измерительных блоках. Например в последнем устройстве за точку отсчета принята инерциальная измерительная система - одна из осей гироскопа, по отклонениям от которой определяют перемещения нока стрелы при движениях судна-носителя крана, либо проводят инструментальное определение высоты морских волн с последующим выбором кривой несущей способности крана с ограничением по грузовому моменту.
Наиболее близким к заявляемому устройству для реализации способа отрыва плавающего объекта с поверхности воды на волнении по совокупности признаков и назначению является патент US 8297597 от 30.10.2012 «Method for lift compensation». Предложен способ компенсации подъема объекта, соединенного с судном с помощью гибкого элемента, который пропущен через шкив на ноке стрелы и наматывается на барабан подъемного устройства. Подъемное устройство снабжено компенсатором вертикальной качки и блоком управления (контроллером), который позволяет учитывать эффект подъемной силы волны и воздействовать на гидроприводное устройство барабана, изменяя тяговое усилие гибкого элемента с учетом периода вертикальной качки и периода отклонения нока стрелы подъемного устройства. Параметры вертикальной качки определяются программным блоком управления компенсатором, за точку отсчета в котором принято дно акватории в месте проведения грузовой операции, при этом учитываются угловые скорости вращения барабана и канатного шкива на ноке стрелы, усилия в грузовом канате по данным тензодатчика на канатном шкиве и величины ускорений по данным акселерометра, вмонтированного в основание подъемного устройства. Непосредственное управление крутящим моментом на барабане и тяговым усилием грузового каната осуществляется компенсатором путем изменения подачи рабочей жидкости на основном насосе переменной производительности, дополненным насосом постоянной производительности, снижающим колебания крутящего момента на барабане от внешних воздействий окружающей среды.
Основным назначением известного способа (устройства) является удержание объекта в требуемом положении относительно морского дна, избегая перегрузки подъемного оборудования, неизбежно возникающей при прохождении объектом зоны поверхностных волн (зоны брызг) и при других негативных воздействиях от окружающей среды. К недостаткам прототипа следует также отнести использование двух насосных агрегатов с бустерным подключением к приводу барабана подъемного устройства, что делает силовой гидропривод барабана энергозатратным и габаритным со сложным устройством программного управления из-за большого количества датчиков для инструментального определения параметров морской волны.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение эффективного использования допускаемой рабочей нагрузки (SWL) судового крана с ограничителем грузоподъемности при отрыве плавающего объекта с поверхности воды при волнении и дальнейший безопасный его подъем за счет максимального использования энергии морских волн.
Указанный технический результат достигается применением способа отрыва плавающего объекта с поверхности воды на волнении, основанного на подъеме застропленного плавающего объекта, находящегося под действием предварительного натяжения грузового каната и сил плавучести объекта. При этом вертикальные перемещения плавающего объекта на поверхности волны преобразуются грузовым канатом в колебательные вращения барабана лебедки, которые фиксируют датчиком угловых скоростей барабана. Выходные сигналы с датчика угловых скоростей используют для управления величиной тягового усилия лебедки. Для отрыва плавающего объекта используют судовой кран с ограничителем грузоподъемности. При этом усилие предварительного натяжения грузового каната ограничивают по величине, задавая его по условию обеспечения минимально устойчивой работоспособности гидропривода лебедки. Одновременно учитывают влияние на усилие предварительного натяжения грузового каната положения качающегося нока стрелы, по которому пропущен грузовой канат, и оценивают готовность плавающего объекта к отрыву с поверхности на волнении по начавшемуся изменению угловой скорости вращения барабана лебедки, происходящему вследствие изменений заданных усилий предварительного натяжения грузового каната при перемещениях плавающего объекта по поверхности волны и при вертикальных перемещениях нока стрелы крана на судне-носителе. Непосредственно отрыв плавающего объекта производят в момент нарастающего значения угловой скорости вращения барабана лебедки, вызванного уменьшением заданного усилия предварительного натяжения грузового каната, фиксируемой датчиком угловых скоростей. Выходной сигнал датчика угловых скоростей при этом производит переключение гидропривода лебедки в режим максимальной работоспособности, что вызывает увеличение тягового усилия грузового каната, необходимого для отрыва плавающего объекта с поверхности воды на волнении, в пределах допустимой рабочей нагрузки, что возможно лишь при совпадении по фазам процесса всплытия плавающего объекта на гребень волны и процесса приближения к нему нока стрелы крана на качающемся судне-носителе, фаза перемещения которого подтверждена сигналом акселерометра, установленного на ноке стрелы крана.
Для реализации указанного способа предлагается устройство, содержащее лебедку судового крана, грузовой канат, один конец которого закреплен на барабане лебедки, а второй конец пропущен по шкиву на ноке стрелы крана и имеет гак, снабженный грузозахватным устройством для застропки плавающего объекта, датчик угловых скоростей, акселерометр, закрепленный на ноке стрелы. При этом для привода барабана лебедки использован гидродвигатель, запитанный от судовой гидросистемы с постоянными параметрами рабочей жидкости, а изменение крутящего момента на барабане обеспечивает встроенный в гидродвигатель двухпозиционный электроклапан, переключения которого производят выходные сигналы датчика угловых скоростей вращения барабана и акселерометра, установленного на ноке стрелы.
Сущность изобретения поясняется рисунком, на котором представлены:
1 - плавающий объект,
2 - грузовой канат,
3 - стрела судового крана,
4 - лебедка грузовая с гидродвигателем,
5 - датчик угловых скоростей вращения барабана,
6 - судно-носитель,
7 - судовой кран,
8 - акселерометр фазовых ускорений.
Гидродвигатель со встроенным двухпозиционным электроклапаном обеспечивает предварительное, постоянное по величине, натяжение грузового каната в режиме малой производительности, когда плавающий объект застроплен и возможно отслеживание его положения на поверхности волны, а также готовность к переключению гидропривода лебедки в режим максимальной производительности после того, как на контур позитивного (изменение рабочего объема гидродвигателя с минимального значения на максимальное) электроуправления начнут поступать сигналы с датчика угловых скоростей барабана и акселерометра с нока стрелы, свидетельствующие о возрастании его угловой скорости вращения (качания) вследствие снижения усилия предварительного натяжения грузового каната в момент всплытия плавающего объекта на гребень волны и/или подхода к нему по вертикали нока стрелы крана, подтвержденных сигналами акселерометра.
Отрыв плавающего объекта с поверхности воды на волнении, находящегося под воздействием на него сил плавучести, выполняется в следующей последовательности:
- производят застропку плавающего объекта 1 на гаке грузового каната 2 и удерживают объект 1 на плаву ноком стрелы 3 усилием предварительного натяжения, создаваемого барабаном гидроприводной лебедки 4. При этом вертикальные перемещения плавающего объекта 1 по поверхности волны будут преобразовываться грузовым канатом 2 в колебательные вращения барабана лебедки 4 и фиксироваться датчиком 5 угловых скоростей вращения барабана;
- во избежание нарушения плавучести объекта 1 на волнах усилие предварительного натяжения грузового каната 2 ограничивают по величине, исходя из условия обеспечения минимально устойчивой работоспособности лебедки 4;
- взаимосвязь качающегося нока стрелы 3 и изменение усилия предварительного натяжения грузового каната 2, проходящему по нему, принята априорно, но при этом следует учесть, что параметры колебательных процессов плавающего объекта 1 на волне и судна-носителя 6 различны и могут совпадать только по отдельным фазам;
- отрыв плавающего объекта 1 с поверхности воды на волнении произойдет автоматически только при совпадении по фазам процесса всплытия плавающего объекта 1 на гребень волны и процесса приближения к нему по вертикали нока стрелы 3 судового крана 7 на качающемся судне-носителе 6, подтвержденном сигналами акселерометра 8, вследствие чего имевшее место колебательные вращения барабана лебедки 4 перейдут в устойчивые вращательные с нарастающей угловой скоростью.
Положительный эффект заявляемого изобретения выражается в:
- обеспечении в соответствии с действующими нормативными требованиями безопасной эксплуатации судового крана при работе с плавающими объектами за счет максимально возможного снижения динамических воздействий на него окружающей среды, исключения возможных его перегрузок при работе на волнении, снижения риска внезапных отказов крановых конструкций;
- эффективном использовании допускаемой рабочей нагрузки (SWL) судового стрелового крана с ограничителем грузоподъемности при работе с плавающим объектом на волнении за счет максимального использования энергии морских волн, что позволяет упростить конструкцию крановых лебедок и грузовых канатов, повысить срок службы и долговечность;
- автоматическом отрыве плавающего объекта с поверхности волн за счет нормированного использования предварительного натяжения грузового каната и контролируемых перемещений нока стрелы по показаниям акселерометра фазовых ускорений, что упрощает работу оператора, обслуживающего судовой кран, и судовых стропальщиков при работе на волнении.