УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ВОРОТ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА ОТ НАВАЛА СУДОВ
DEVICE FOR PROTECTING SLUICEGATES FROM SHIP COLLISIONS

Изобретение относится к области водного транспорта и предназначено для защиты ворот судоходных шлюзов от навала судов при шлюзовании.
Известны предохранительные устройства защиты ворот судоходного шлюза от навала судна с применением систем торможения на основе перекрытия пролета шлюза жестким заградительным элементом (жесткая балка «шлагбаум»), гибким элементом (канат, цепь) (см. пат. RU № 2726893; пат. RU № 2532036; пат. RU № 2425922; пат. RU № 2511249), а также устройств, в которых эффективность торможения судна обеспечивается трением с использованием фрикционного материала (пат. RU № 170899; пат. RU № 2579229; пат. RU № 2428541).
Недостатком устройств с жестким заградительным элементом является возможность повреждения корпуса судна при контакте с заградительным элементом (балки, троса, цепи), изготовленным из стали. Недостатком устройств с использованием фрикционного материала является сложность конструкции, требующей дополнительных конструктивных элементов в горизонтальных поверхностях стен шлюза, т.к. фрикционный элемент не взаимодействует непосредственно с корпусом судна.
Из известных решений наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности и назначению к заявляемому изобретению является устройство защиты ворот от навала судов по пат. РФ № 170899 МПК E02С1/10, опубл. 15.05.2017. Устройство-прототип состоит: из двух заградительных элементов, расположенных симметрично по обеим сторонам камеры шлюза в стеновых нишах и выполненных в виде подвижных и неподвижных балок, и контактирующих с ними баллонов из эластичного водонепроницаемого материала, соединенных с источником сжатого воздуха, подключенным к аппаратуре контроля скорости движения судна. При этом каждая подвижная балка установлена с возможностью ограниченного горизонтального перемещения, например, с помощью пары цепей (тросов), связанных через лебедки с аппаратурой контроля скорости.
При нарушении судном режима скорости контрольная аппаратура устройства подает сигнал в систему управления судопропуском. Тревожный сигнал передается на исполнительный орган автоматических клапанов, открывающих подачу воздуха в баллоны. Одновременно сигнал подается на лебедки, регулирующие длину цепей (тросов). Баллоны, наполняясь, перемещают подвижные балки по опорно-направляющим элементам в направлении движения судна. В результате происходит захват судна за его борта, и таким образом предотвращается его навал на ворота. Между бортами судна и резиновым слоем возникает сила трения, удерживающая судно после полностью погашенной энергии навала.
Недостатком прототипа являются:
 ненадежность в обеспечении герметичности системы баллонов и трубопровода для подачи сжатого воздуха;
 ограниченность применения при взаимодействии с судами, имеющими меньшую ширину;
  недостаточная тормозная сила в контакте «тормозная балка – корпус судна» из-за ограниченных возможностей пневмоподушки;
 невозможность использования устройства в условии изменения уровней воды при реверсивном движении судов из бьефа в бьеф.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность торможения судна при его подходе к воротам шлюза и расширить функциональные возможности устройства защиты при одновременном увеличении его надежности
Для решения проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в устройстве защиты ворот шлюза от навала судов, состоящем, также как и прототип, из двух подвижных балок, симметрично расположенных по обеим сторонам камеры шлюза в стеновых нишах, одними концами шарнирно соединенными со стенами камеры, а вторыми - с тросами, намотанными на барабаны автоматически управляемых лебедок, при этом лебедки закреплены на стенах камеры шлюза и связаны через компьютерную систему с аппаратурой контроля скорости судна, в отличие от прототипа, подвижные балки вторыми концами шарнирно соединены между собой поперечной балкой, при этом в днище камеры шлюза выполнена поперечная ниша для размещения поперечной балки в исходном положении и возможности беспрепятственного выхода из нее в рабочее положение, в свою очередь компьютерная система выполнена, с возможностью определения величины давления поперечной балки на днище судна в зависимости от водоизмещения судна, его осадки, скорости движения в шлюзе и оптимального пути торможения.
Сущность изобретения заключается в торможении судна перед воротами шлюза за счет подъема поперечной балки и прижатия ее к днищу судна (при нарушении им режима скорости движения) с силой, создающей трение между фрикционными поверхностями балки и судна, что обеспечивает эффективное торможение судна и прохождение им оптимального (расчетного) тормозного пути перед остановкой. Очевидным отличием заявляемого устройства от прототипа является то, что торможение судна осуществляется трением заградительного элемента о днище судна, а не о борта, что позволяет применять предлагаемое устройство независимо от ширины судна.
Энергия торможения судна определяется по формуле:
где  сила трения в контакте «тормозная балка  днище судна», н;
пройденный тормозной путь судна, м.
Система торможения эффективна, если энергия торможения судна  превышает  энергию навала судна на ворота :
,
которая  определяется по формуле:
где  водоизмещение судна, кг;
скорость судна, м/c;
коэффициент присоединения массы воды;
Пройденный тормозной путь определяется по формуле:
R
Таким образом, для эффективного торможения судна с оптимальной длиной тормозного пути, трос автоматически управляемой лебедки должен быть натянуть с силой , которая определяется компьютерной системой по параметрам шлюзуемого судна: водоизмещению, осадке, скорости движения в шлюзе и оптимального пути торможения. Одновременно, с увеличением тормозной силы, судно получит дифферент, что также приведет к снижению инерционного движения судна.
Достоинством изобретения по сравнению с прототипом является также возможность применения устройства при изменениях уровней воды при реверсивном движении судов из бьефа в бьеф за счет использования поперечной балки, изменение высоты положения которой регулируется механизмом подъема (лебедкой). Устройство-прототип имеет статичное положение, которое не предусматривает его использование при различных уровнях воды и в этом случае, при переходе судна из верхнего бьефа (по уровню воды верхнего бьефа) в нижний бьеф, один заградительный элемент необходимо расположить на уровне воды верхнего бьефа, а при переходе судна из нижнего бьефа (по уровню воды нижнего бьефа) в верхний, второй аналогичный элемент необходимо расположить на уровне нижнего бьефа. В отличие от прототипа, в предлагаемом изобретении достаточно одного устройства.
Сопоставление предлагаемого устройства, предохраняющего ворота шлюза от навала судна с помощью заградительного органа, и его прототипа показало, что задача – повышение эффективности торможения судна при его подходе к воротам шлюза и расширение функциональных возможностей устройства защиты при одновременном увеличении его надежности, решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области водного транспорта не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлено схематическое изображение камеры шлюза с установленным в ней устройством защиты в плане;
на фиг. 2 - продольный разрез I-I фиг. 1.
Устройство (фиг. 1, фиг. 2) защиты ворот судоходного шлюза состоит из поперечной балки 1 трубчатого сечения во фрикционной оболочке, выполненной из резины, обеспечивающей высокий коэффициент трения в контакте с корпусом судна. Поперечная балка 1 шарнирно крепится к подвижным балкам 2, а также к тросам 3 с помощью демпферных устройств (пружин) 4, снижающих негативное влияние динамической нагрузки на тросы 3. Подвижные балки 2 своими вторыми концами шарнирно крепятся к опорным шарнирам 5, установленным на стенах камеры шлюза 6. Шарнирное крепление поперечной балки 1 позволяет выполнять перемещение с помощью подъемных механизмов (автоматически управляемых лебедок) 7, связанных через компьютерную систему (на рис. не показано) с  аппаратурой контроля скорости судна.  Лебедки 7 включают в себя барабан, тормоз, редуктор и электродвигатель. В нерабочем (исходном) положении поперечная балка укладывается в нишу 8, выполненную в днище камеры шлюза 9.
Предлагаемое устройство работает следующим образом (фиг. 1, 2).
Датчики 10 аппаратуры контроля скорости, установленные на стенах шлюза в зоне ворот 11, при превышении скорости судна, приближающегося к воротам, передают сигнал на лебедки 7 с программным управлением. Лебедки 7 осуществляет подъем поперечной балки 1, прижимая ее к днищу судна и создавая трение между фрикционными поверхностями. При этом, демпферные устройства 4 гасят влияние динамической нагрузки на тросы 3, предотвращая их обрыв.
Предлагаемое изобретение позволяет:
 расширить функциональные возможности устройства защиты ворот шлюза за счет торможения судна независимо от его ширины;
 более эффективно обеспечивать торможение в контакте «балка – корпус судна»;
 помимо тормозной силы за счет трения, обеспечить тормозную силу за счет увеличения давления балки с помощью подъемного механизма, а также создания дифферента судна;
 обеспечить возможность применения устройства при изменениях уровней воды в камере шлюза.
Конструкция устройства была разработана специалистами кафедры Гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в ходе научно-исследовательских работ. Были произведены расчеты, показавшие возможность использования устройства в шлюзовых камерах канала им. Москвы и гидроузлов Волжского каскада. В дальнейшем предполагается рекомендовать устройство для использования на внутренних водных путях Российской Федерации, что позволит значительно повысить безопасность шлюзования судов.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».