СИСТЕМА И СПОСОБ ШВАРТОВКИ СУДНА
SYSTEM AND METHOD FOR MOORING OF VESSEL

Изобретение относится к швартовной тумбе для швартовки судов и зажимному устройству швартовного каната, а также к способам швартовки судов.
Уровень техники
Из WO2010/110666 известно использование гидравлического устройства для удержания каната, которое может использоваться для удержания судна пришвартованным вдоль причала. Устройство вытравливает швартовный канат, когда тяговое усилие судна превышает пороговое значение, и выбирает швартовный канат обратно, когда сила исчезает. Устройство для удержания каната не требует внешнего источника питания во время работы и поэтому надежно защищено от выхода из строя из-за отключения электроэнергии.
В принципе, такое швартовное устройство можно использовать и в местах швартовки, расположенных вдали от берега. Однако при таком расположении обычно мало свободного места и требуется перемещение по воде, чтобы отрегулировать устройство удержания каната. Например, устройство для удержания каната WO2010/110666 требует предварительной настройки гидравлического давления, что может потребовать выполнения ручных операций и использования источника питания. Такое швартовное устройство целесообразно использовать на швартовной тумбе, которая стоит изолированно в воде, однако пространство, доступное на такой швартовной тумбе, минимально, и доступ к ней затруднен.
Раскрытие сущности изобретения
Помимо прочих задачей настоящего изобретения является создание швартовной тумбы, которая обеспечивает управляемую реакцию на усилия, обусловленные движением пришвартованного судна.
В соответствии с одним из аспектов изобретения, по пункту 1 предусмотрено создание швартовной тумбы. В данном устройстве используют шкивы для направления швартовного каната через гидравлический ограничитель усилия, который начинает давать ход, когда усилие на гидравлическом ограничителе усилия превышает пороговое значение. Это позволяет обеспечить управляемый отклик на усилие, вызванные движением пришвартованного судна в ограниченном пространстве, предусмотренном швартовной тумбой.
Согласно другому аспекту, швартовный канат соединяет судно со швартовной тумбой с использованием зажимного устройства, которое содержит первый и второй поворотные фрикционные барабаны, расположенные со смещением один относительно другого в направлении смещения поперечном первой и второй оси вращения первого и второго фрикционных барабанов, с использованием швартовного каната, который проходит вперед и назад между первым и вторым фрикционными барабанами попеременно, последовательными полуокружностями вокруг первого и второго поворотных фрикционных барабанов, причем в данном способе первый и второй фрикционные барабаны вращаются синхронно для вытравливания и/или выборки швартовного каната с судна и на судно соответственно. Такой способ зажима позволяет выбирать и вытравливать швартовный канат под нагрузкой. Такое зажимное устройство и способ зажима, а также некоторые или все его функции, могут также использоваться в других обстоятельствах, помимо применения на швартовной тумбе, однако его использование на швартовной тумбе имеет преимущество, поскольку оно занимает небольшое пространство и не нуждается в выполнении ручных операций для регулировки длины используемой части швартовного каната.
Согласно другому аспекту, предусмотрено устройство для зажима швартовного каната по пункту 8. При использовании швартовного каната, намотанного в прямом и обратном направлении вокруг нескольких фрикционных барабанов с разными осями вращения, швартовный канат можно выбирать или вытравливать под нагрузкой, обеспечивая малый износ.
Это позволяет использовать швартовные канаты из волокнистого материала, такого как дайнема, например из углеродного волокна.
В варианте осуществления, один из двух фрикционных барабанов имеет кольцевые канавки для пропускания швартовного каната каждый раз по полуокружности. Это увеличивает усилие, с которым можно справиться. В варианте осуществления канавки имеют поперечное сечение, выполненное по меньшей мере частично в форме сегмента окружности, с радиусом окружности, который меньше радиуса поперечного сечения швартовного каната свободного от нагрузки, но при этом не меньше, чем радиус поперечного сечения у швартовного каната, находящегося под нагрузкой. Это еще больше увеличивает усилие, с которым можно справиться. Предпочтительно, чтобы канавки имели шероховатую поверхность (например, по сравнению с другими частями поверхности фрикционного барабана или естественной шероховатостью материала фрикционного барабана) для увеличения усилия, с которым можно справиться.
Зажимное устройство для каната предпочтительно имеет схему управления, сконфигурированную для приведения в действие двигателя или двигателей для синхронного вращения первого и второго фрикционных барабанов в выбираемом направлении в ответ на прием командного сигнала, указывающего направление. Схема управления может представлять собой запрограммированный компьютер, содержащий программу, которая вызывает выполнение компьютером описанных операций. Схема управления может содержать устройство связи, например устройство беспроводной связи для приема команд, позволяющее осуществлять дистанционное управление. В блоке швартовной тумбы схема управления может быть соединена с датчиком или с датчиками для определения состояния ограничителя усилия и для управления выбиранием швартовного каната и его вытравливанием зажимным устройством в зависимости от состояния ограничителя усилия или функции зависимости этого состояния от времени.
Таким образом, блок швартовной тумбы на верхней части швартовной тумбы может иметь устройство для удержания каната. В варианте осуществления устройство для удержания каната содержит первый шкив, второй шкив и зажим для каната, и предназначено для направления швартовного каната от судна через первый шкив к зажиму, вперед и назад через второй шкив. Гидравлический ограничитель усилия подсоединен между вторым шкивом и швартовной тумбой. Гидравлическое усилие может осуществлять расширение или сжатие в направлении действия силы, приложенной к оси шкива. Гидравлический ограничитель усилия временно дает ход, когда пик усилия превышает пороговое значение. Зажим содержит пару барабанов, вокруг которых в прямом и в обратном направлении проходит швартовный канат. При синхронном вращении барабанов швартовный канат может быть выбран или вытравлен под нагрузкой.
В варианте осуществления блок швартовной тумбы содержит поворотное основание, расположенное таким образом, чтобы обеспечить возможность вращения вокруг вертикального направления швартовной тумбы, при этом первый шкив, второй шкив, зажим для каната и гидравлический ограничитель усилия установлены на указанном основании. Таким образом, указанный узел может обеспечивать перемещение судна вокруг швартовной тумбы.
В варианте осуществления гидравлический ограничитель усилия сжатия имеет ближний конец и дальний конец относительно швартовной тумбы соответственно, при этом второй шкив установлен на дальнем конце, а первый шкив и зажим для каната установлены рядом с ближним концом. Таким образом, усилия, создаваемые судном, преобразуются в усилия сжатия на ограничителе усилия. Это снижает потребность ограничителя усилия во внутренних усилиях. Предпочтительно, чтобы направление расширения и сжатия гидравлического ограничителя усилия соответствовало вертикальному направлению швартовной тумбы. Это облегчает его использование на швартовной тумбе.
Краткое описание чертежей
Эти и другие задачи и обеспечивающие преимущество аспекты станут очевидными из описания примерных вариантов осуществления со ссылками на следующие фигуры.
На фигуре 1 показан блок швартовной тумбы.
На фигуре 2 показан гидравлический контур.
На фигуре 3 показан узел зажима.
На фигурах 4a-c показаны боковые виды узла пары фрикционных барабанов.
На фигуре 5 показаны канавки фрикционных барабанов.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 показан блок швартовной тумбы, содержащий швартовную тумбу 10, с устройством для удержания каната сверху. Швартовная тумба 10 обеспечивает стационарную силовую опору для передачи усилий от швартовного каната к гавани или настилу, без существенного перемещения. Швартовная тумба 10 может быть расположена в водах гавани с установкой на дне гавани или в открытых водах, например на морском дне. Устройство для удержания каната содержит основание 11, реверсивный гидравлический ограничитель 120, 122 усилия сжатия, верхний шкив 14, нижний шкив 16 и зажим 18. Основание 11 установлено на верхней части швартовной тумбы 10, например, соединено с фланцем швартовной тумбы 10. Предпочтительно, основание 11 имеет неподвижную часть на швартовной тумбе 10 и поворотную часть сверху неподвижной части, вращающуюся вокруг вертикальной оси. Это обеспечивает преимущество, заключающееся в обеспечении возможности поворота устройства для удержания каната (или быть повернутым) для выравнивания нижнего шкива 16 в направлении соединения швартовного каната с судном,
Реверсивный гидравлический ограничитель усилия сжатия содержит узел гидроцилиндра с гидроцилиндром 120 и штоком поршня 122. Гидравлический цилиндр 120, нижний шкив 16 и зажим 18 установлены на основании 11. Нижний шкив 16 и зажим 18 расположены рядом с нижней частью гидроцилиндра 120. Основание 11 (если требуется, поворотная часть основания 11) содержит первый набор параллельных пластин, которые образуют подшипник нижнего шкива 16. Предпочтительно, как показано, нижний шкив 16 и зажим 18 расположены на противоположных сторонах гидроцилиндра 120. Также предпочтительно, как показано, гидроцилиндр 120 расположен выше центральной оси швартовной тумбы 10.
Поршневой шток 122 проходит в гидроцилиндр 120 и сверху гидроцилиндра 120. Узел гидроцилиндра содержит поршень (не показан) в гидроцилиндре 120. Ось вращения верхнего шкива 14 установлена на верхней части штока поршня 122 поперек направления движения штока поршня 122. Путь 19 швартовного каната схематически обозначен пунктирной линией. Во время работы швартовный канат подсоединяется к судну (не показано) и проходит от судна к нижнему шкиву 16 и вокруг его части. От нижнего шкива 16 швартовный канат проходит к верхнему шкиву 14 и вокруг него. От верхнего шкива 14 швартовный канат проходит к зажиму 18. Зажим 18 обеспечивает, чтобы часть швартовного каната оставалась зажатой на месте в зажиме 18, когда судно прикладывает тяговое усилие к швартовному канату.
Таким образом, швартовный канат прикладывает усилия к нижнему шкиву 16, верхнему шкиву 14 и зажиму 18. Силы, действующие на верхний шкив 14 и зажим 18, являются по существу вертикальными, а усилие, прикладываемое нижним шкивом 16, действует под углом к вертикали с передачей бокового усилия, прикладываемого частью швартовного каната к судну, и вертикального усилия от части швартовного каната к верхнему шкиву 14. На фигуре 1 зажим 18 изображен символически в виде коробки. Далее будет описан вариант зажима 18, имеющий преимущества, но в принципе, зажим 18 может быть просто соединением швартовного каната с основанием 11.
Узел гидроцилиндра функционирует как реверсивный гидравлический ограничитель усилия сжатия, ограничивая усилие противодействия узла гидроцилиндра в ответ на направленное вниз усилие сжатия, прикладываемое шкивом 14. По меньшей мере тогда, когда направленное вниз усилие, прикладываемое шкивом 14, превышает пороговое значение, узел гидроцилиндра больше не сопротивляется сжатию, и когда усилие, направленное вниз, становиться ниже порогового значения, узел гидроцилиндра толкает верхний шкив 14 обратно, по меньшей мере до тех пор, пока он не достигнет максимального выдвижения.
Движение вниз верхнего шкива 14 приводит к тому, что становится доступной дополнительная длина швартовного каната к судну, по меньшей мере после того, как усилие достигнет порогового значения. Применительно к швартовному канату, усилия на швартовном канате возникают из-за сил, действующих на пришвартованное судно, например из-за ветровой нагрузки или зыби. При увеличении длины швартовного каната до судна, допускается перемещение судна, что приводит к тому, что сила, приложенная к швартовному канату, будет уменьшаться. Таким образом, допускается перемещение судна на величину, необходимую для того, чтобы усилие на швартовном канате не превышало порогового значения. Как только усилия от пришвартованного судна уменьшаются, перемещение верхнего шкива 14 вверх выбирает швартовный канат обратно.
На фигуре 2 показан гидравлический контур варианта исполнения узла гидроцилиндра 120, 122. Поршневой шток 122 расположен в гидроцилиндре 120. Гидроцилиндр 120 заполнен гидравлической жидкостью между поршнем 20 и дном гидроцилиндра 120. Поршень 20 и поршневой шток 122 могут образовывать единую конструкцию, либо поршень 20 и поршневой шток 122 могут быть отдельными конструкциями, которые соединены для перемещения как одна конструкция. В обоих случаях поршень 20 и поршневой шток 122 будут указаны как упомянуто, поскольку, помимо гидроцилиндра 120 и поршневого штока 122 гидравлический контур содержит закрытый резервуар 22, который по меньшей мере частично заполнен газом (например, воздухом или азотом). В варианте осуществления (не показан), закрытый резервуар 22 окружает гидроцилиндр 120, внутренняя стенка закрытого резервуара 22 образована внешней стенкой гидроцилиндра 120, а внешняя стенка закрытого резервуара 22 образована дополнительной цилиндрической стенкой вокруг внешней стенки гидроцилиндра 120.
Гидравлическая жидкость присутствует в гидроцилиндре 120 ниже поршня 20 и на дне резервуара 22. Кроме того, гидравлический контур содержит первый и второй клапаны 24, 26 в трубопроводах для гидравлической жидкости между резервуаром 22 и дном гидроцилиндра 120, т.е. частью гидроцилиндра 120, в направлении которой поршневой шток 122 сжимает гидравлическую жидкость.
Первый клапан 24 является клапаном избыточного давления, сконфигурированным для обеспечения потока гидравлической жидкости из гидроцилиндра 120 в резервуар 22, когда давление гидравлической жидкости в гидроцилиндре 120 превышает давление в резервуаре 22 более чем на первую заданную пороговую разницу. Второй клапан 24 является обратным клапаном, выполненным с возможностью обеспечения потока гидравлической жидкости из резервуара 22 в гидроцилиндр 120, когда давление гидравлической жидкости в гидроцилиндре 120 падает ниже давления в резервуаре 22 (или когда разность между давлением гидравлической жидкости в гидроцилиндре 120 и давлением в резервуаре 22 падает ниже второго заданного порогового значения, меньшего, чем первая заданная пороговая разность). Как будет понятно, первый и второй клапаны могут быть выполнены в виде одного клапана, который закрывается только тогда, когда давление в гидроцилиндре находится в диапазоне между пороговыми значениями. С этой целью, клапаны или один клапан могут управляться на основе давления, регистрируемого датчиком давления (не показан) для измерения давления в гидроцилиндре. Может использоваться электронное или механическое управление. Датчик и/или механическое управление могут быть интегрированы с клапаном.
Поскольку поршневой шток 122 прижимает поршень 20 к гидравлической жидкости, давление на гидравлическую жидкость равно усилию, прикладываемому поршневым штоком 122, поделенным на площадь поперечного сечения гидроцилиндра, независимо от толщины поршневого штока 122. Когда давление на гидравлическую жидкость превышает пороговое давление, определенное первой заданной разностью порогов, гидравлический контур уступает давлению от поршня 20, позволяя штоку 122 поршня опускаться в гидравлический цилиндр без дальнейшего существенного увеличения усилия на штоке 122 поршня.
Сила, направленная вниз, приложенная к узлу гидроцилиндра верхним шкивом 14, в два раза превышает силу, приложенную к швартовному канату. Когда тяговое усилие, которое прикладывается судном к швартовному канату, превышает половину порогового усилия, поршень 20 опускается в цилиндре 120 без увеличения усилия противодействия, и в результате устройство для удержания каната вытравливает канат. Когда тяговое усилие с судна уменьшается, гидравлическая жидкость из резервуара 22 возвращается в гидроцилиндр 120, толкая поршень 20 вверх, в результате чего швартовный канат выбирается обратно по мере поднятия поршня в цилиндре.
Следует отметить, что вместо показанного варианта реверсивного гидравлического ограничителя усилия сжатия могут использоваться другие механизмы реверсивного ограничителя усилия, например, аналогичные тем, которые описаны в WO 2018/048303. Кроме того, следует учитывать, что узел гидроцилиндра может быть перевернут таким образом, что гидроцилиндр 120 находится сверху, поршневой шток 122 соединен с основанием 11, а верхний шкив 14 расположен сверху гидроцилиндра 120. Аналогичным образом, путь швартовного каната может быть усложнен, например, так, чтобы гидравлический цилиндр 120 и поршневой шток 122 не были вертикальными, или чтобы можно было использовать более одного ограничителя усилия сжатия.
В другом варианте осуществления вместо этого может использоваться реверсивный ограничитель усилия натяжения, например, когда используется устройство шкива, которое вытягивает поршневой шток 122 за счет натяжения швартовного каната, а не толкает поршневой шток внутрь. Например, могут быть добавлены два дополнительных шкива на раме, так что дополнительные шкивы находятся над верхним шкивом 14, и швартовный канат проходит вверх от нижнего шкива 16 к первому дополнительному шкиву, оттуда вниз к верхнему шкиву 14, а затем от верхнего шкива 14 до второго дополнительного шкива и оттуда вниз к зажиму 18. В этом случае верхний шкив 14 будет подтянут вверх, когда швартовный канат окажется натянут.
Вариант осуществления реверсивного ограничителя усилия натяжения аналогичен описанному реверсивному ограничителю усилия сжатия, за исключением того, что гидравлическая жидкость и соединение от гидроцилиндра 120 к резервуару 22 могут быть предусмотрены со стороны верхнего штока поршня 20 в гидроцилиндре 120, т.е. с другой стороны поршня 20, с уплотнением вокруг штока 122 поршня в верхней части гидроцилиндра 120. То же самое происходит и в случае, если верхний шкив перемещается в нижнюю часть гидроцилиндра 120. Аналогично, дополнительные шкивы могут использоваться для перенаправления усилия на узел гидроцилиндра в других направлениях, так чтобы гидроцилиндр 120 мог быть ориентирован в других направлениях. Однако, вариант, показанный на фигуре 1, является наиболее надежным решением.
На фигуре 3 показан узел зажима, который образует вариант осуществления зажима 18, который передает усилия, прикладываемые канатом, на силовую опору. Узел зажима распределяет усилия на швартовный канат и позволяет регулировать длину швартовного каната от швартовной тумбы до судна. В показанном варианте осуществления узел зажима содержит намоточный барабан 34 для хранения избыточной длины швартовного каната и пару фрикционных барабанов, содержащих первый и второй фрикционные барабаны 30, 32 одинакового диаметра, для выполнения зажима путем передачи натяжения от швартовного каната к силовой опоре. Первый и второй фрикционные барабаны 30, 32 называются фрикционными барабанами, поскольку трение между их поверхностью и швартовным канатом служит для передачи усилий между барабанами и швартовным канатом. Первый и второй фрикционные барабаны 30, 32 соединены с силовой опорой и удерживаются в фиксированном пространственном положении один относительно другого. Например, первый и второй фрикционные барабаны 30, 32 могут быть установлены между парой монтажных пластин (не показаны). Монтажные пластины соединены с основанием устройства для крепления каната (не показано), которое используется в качестве силовой опоры. Предпочтительно, чтобы первый и второй фрикционные барабаны 30, 32 были расположены по существу вертикально один над другим с размещением их осей вращения по существу в горизонтальном направлении.
Путь 19 швартовного каната проходит от верхнего шкива (не показан) к первому фрикционному барабану 30 (самому нижнему из пары фрикционных барабанов), а оттуда несколько раз вперед и назад между вторым и первым фрикционными барабанами 32, 30 и, наконец, к намоточному барабану 34.
На фигурах 4a-c показаны боковые виды варианта исполнения узла пары фрикционных барабанов. Узел пары фрикционных барабанов содержит первый и второй поворотные фрикционные барабаны 30, 32, первую и вторую монтажные пластины 34a,b и двигатели 36a, b. На этих рисунках указаны оси координат, где ось z проходит в направлении оси вращения первого фрикционного барабана 30, ось x, по существу, представляет собой направление смещения между фрикционными барабанами (смещения их осей вращения), т.е. направление части каната, которая проходит от одного барабана к другому. Ось y ортогональна осям x и z. Как будет обсуждаться, оси вращения фрикционных барабанов 30, 32 предпочтительно лежат параллельно плоскостям y-z, причем ось x перпендикулярна этим плоскостям.
Первый и второй фрикционные барабаны 30, 32 установлены с возможностью поворота с одной стороны на первой монтажной пластине 34a, и с противоположной стороны - на второй монтажной пластине 34b. Поверхность каждого из первого и второго фрикционных барабанов 30, 32 содержит множество кольцевых канавок 40, т.е. не спиральную канавку, а отдельные канавки, причем каждая канавка параллельна плоскости, перпендикулярной оси вращения барабана, канавка возвращается в себя после прохождения по полному кругу. Было установлено, что для практических целей достаточно шести канавок. Однако следует отметить, что может использоваться другое количество канавок, например, возможно использование большего количества канавок, а для некоторых классов судов может быть достаточно меньшего количества канавок. Кроме того, может быть достаточно использовать канавки для отдельных витков швартовного каната только на одном из фрикционных барабанов.
На фигурах 4b,c показаны первый и второй фрикционные барабаны 30, 32 в поперечных сечениях плоскости z-y, т.е. в плоскостях, перпендикулярных смещению между фрикционными барабанами 30, 32, вместе с осями вращения 300, 302 первого и второго фрикционных барабанов 30, 32 соответственно. На фигуре 4b канавки на первом фрикционном барабане 30 не показаны для ясности, в то время как первый фрикционный барабан 30 показан пунктиром на фигуре 4c. Как показано на рисунке 4b,c, оси вращения 300, 302 первого и второго фрикционных барабанов 30, 32 не параллельны, а расположены под ненулевым углом, слегка повернуты относительно друг друга вокруг оси x, т.е. в направлении смещения между фрикционными барабанами. Оси вращения обоих фрикционных барабанов могут быть неперпендикулярны монтажным пластинам, или ось вращения одного фрикционного барабана может быть перпендикулярна монтажным пластинам, а ось вращения другого барабана неперпендикулярна. Предпочтительно, оси вращения 300, 302 лежат в параллельных плоскостях (плоскости y-z). Угол устанавливается таким образом, чтобы точка входа и точка выхода пути каната вдоль полуокружности в канавке вокруг второго фрикционного барабана 32 смещались в осевом (z-) направлении первого фрикционного барабана 30 на расстояние между последовательными канавками 40 на первом фрикционном барабане 30. В одном примере угол составляет восемь градусов.
В математических терминах, когда фрикционные барабаны 30, 32 имеют одинаковый наружный диаметр “D”, а шаг (расстояние от осевой линии одной канавки до осевой линии другой канавки) между последовательными канавками равен “d” (см. рисунок 4а) на обоих фрикционных барабанах, синус угла между центральными осями вращения фрикционных барабанов равен d/D (т.е. sin(угол)=d/D). Таким образом, заданный шаг определяет оптимальный угол между осями вращения или, наоборот, угол определяет оптимальный шаг “d”. Следует подчеркнуть, что фактический угол не обязательно должен быть точно равен этому математическому соотношению: достаточно приблизительного равенства (например, что sin(угол) находится между (d-w)/D и (d+w)/D, где w - погрешность, составляющая менее половины шага d, например, четверть шага). Кроме того, можно отметить, что нет строгой необходимости в том, чтобы фрикционные барабаны имели одинаковый диаметр: если первый и второй фрикционные барабаны 30 имеют диаметр D1, D2 соответственно, синус угла может быть d1/D2 (sin(угол)=d1/D2) или по меньшей мере между (d1-w)/D2 и (d1+w)/D2 и d1/D2=d2/D1.
На фигуре 5 более подробно показан вариант выполнения канавок 40 фрикционных барабанов. Предпочтительно, чтобы поверхность первого и второго фрикционных барабанов 30, 32 в канавках 40 являлась шероховатой поверхностью. В одном примере, поверхности в канавках можно сделать шероховатыми с помощью пескоструйной обработки нержавеющей стали. В поперечном сечении стенка канавок 40 имеет U-образную форму в нижней части канавки 40 и V-образное поперечное сечение выше. В U-образной части канавка 40 имеет сечение сегмента окружности, часть 52 - поперечное сечение по меньшей мере 60-градусного сегмента окружности. V-образная часть 52 поперечного сечения расходится без кривизны или по меньшей мере с переменным или постоянным радиусом кривизны, который больше, чем в части 52 поперечного сечения сегмента круга.
Ширина канавки блока пары барабанов может быть спроектирована таким образом, чтобы она подходила к заданному типу швартовного каната. Канавки 40 в части 52 поперечного сечения сегмента окружности имеют радиус кривизны, который меньше радиуса швартовного каната 50, когда последний не находится под натяжением, но настолько велик, что все больше швартовного каната помещается в часть 52 поперечного сечения сегмента окружности канавки, когда диаметр швартовного каната уменьшается из-за увеличения натяжения на швартовном канате. Ширина может зависеть от диаметра и типа швартовного каната.
В одном примере ширина может быть рассчитана для швартовного каната из дайнема (полиэтилена) диаметром 77 миллиметров при отсутствии натяжения. При натяжении диаметр такого швартовного каната может уменьшиться примерно до 70-71 миллиметра. Фрикционные барабаны 30, 32 имеют гораздо больший диаметр, например, 500 мм или более, так что усталость швартовного каната из-за изгиба незначительна.
В процессе эксплуатации швартовный канат может быть намотан на блок 30, 32 пары барабанов перед использованием для швартовки судов. Например, швартовный канат может быть сначала намотан на намоточный барабан 34, а конец каната с намоточного барабана 34 может быть намотан вперед и назад через фрикционные барабаны 30, 32 несколько раз. Швартовный канат может быть извлечен из блока пары барабанов, пока двигатели 36a, b синхронно вращают первый и второй фрикционные барабаны 30, 32.
Когда судно пришвартовано, конец швартовного каната подводится к судну и закрепляется на судне или подсоединяется к канату с судна. Впоследствии первый и второй фрикционные барабаны 30, 32 синхронно вращаются вокруг своих осей в направлении, в котором швартовный канат наматывается на нижний барабан, а оттуда, после половины оборота, на верхний барабан и так далее. Таким образом, швартовный канат вытравливается с судна. Например, швартовный канат можно выбирать до тех пор, пока он не натянется между швартовной тумбой и судном, не вызывая открытия клапана избыточного давления в гидравлическом контуре. Предпочтительно, чтобы швартовный канат был выбран настолько, что чрезмерное перемещение точки подключения каната на судне привело бы к открытию клапана избыточного давления в гидравлическом контуре.
Двигатели 36a, b подсоединены приведения во вращение первого и второго фрикционных барабанов 30, 32, например, через муфту скольжения. Двигатели 36a, b могут содержать узел планетарного зубчатого колеса для увеличения крутящего момента. Каждый двигатель 36a,b может быть дополнительно соединен со стационарным рычагом (не показан) для обеспечения усилия противодействия, которое удерживает неподвижную часть двигателя от вращения. Рычаг может быть соединен, например, с рычагом другого двигателя и/или с монтажной пластиной 34a и/или с обоими. Синхронное вращение может быть обеспечено с помощью скользящих муфт между двигателями 36a, b и первым и вторым фрикционными барабанами 30, 32.
Скользящая муфта имеет еще одно преимущество, заключающееся в том, что ее можно использовать для ограничения силы, направленной вниз, на узел гидроцилиндра, как только узел гидроцилиндра будет максимально сжат.
Альтернативно, двигатель или двигатели 36a, b могут использоваться в режиме управляемого проскальзывания, в котором двигатель или двигатели 36a, b, например, под управлением схемы управления, заставляют первый и второй фрикционные барабаны 30, 32 синхронно вращаться, чтобы вытравить швартовный канат, в то время как нагрузка на швартовном канате превышает пороговое значение.
Скользящая муфта или режим управляемого проскальзывания определяют пороговое усилие проскальзывания, прилагаемое швартовным канатом, при котором усилие, прилагаемое швартовным канатом, вызывает скольжение скользящей муфты или активируется режим управляемого проскальзывания. Аналогично, узел гидроцилиндра определяет пороговое усилие сжатия, создаваемое швартовным канатом, при котором усилие, создаваемое швартовным канатом, заставляет узел гидроцилиндра начинать сжатие.
В варианте осуществления пороговое усилие проскальзывания, создаваемое швартовным канатом, больше, чем пороговое усилие сжатия, создаваемое швартовным канатом. (В контексте настоящего документа, пороговое усилие проскальзывания и пороговое усилие сжатия относятся к уровням нагрузки в швартовном канате, при которых муфта проскальзывает, и узел гидроцилиндра начинает сжиматься).
В результате, когда нагрузка на швартовном канате увеличивается и достигает величины порогового усилия сжатия, узел гидроцилиндра сначала вытравливает швартовный канат. Если узел гидроцилиндра максимально сжат и нагрузка на швартовном канате еще больше возрастает, достигая величины порогового усилия проскальзывания, скользящая муфта или фрикционные барабаны 30, 32 осуществляют скольжение в режиме управляемого проскальзывания, вытравливая швартовный канат. Одна и та же скользящая муфта может использоваться для соединения с двигателем(ями), приводящим(ими) фрикционный барабан, и обеспечивающими вытравливание каната, однако следует иметь в виду, что вместо этого для этих целей может использоваться отдельная скользящая муфта.
В варианте осуществления схема управления сконфигурирована для определения того, когда узел гидроцилиндра максимально сжат, с использованием одного или нескольких датчиков положения, которые определяют положение поршня относительно цилиндра вместо или в дополнение к датчику гидравлического давления.
В варианте осуществления схема управления сконфигурирована таким образом, чтобы побудить двигатель или двигатели 36a, b привести в действие фрикционные барабаны и начать вытравливание швартовного каната в ответ на обнаружение того, что гидравлический ограничитель усилия дал ход на заданное расстояние, так что была вытравлена заданная длина швартовного каната. Например, схема управления может сделать это в ответ на обнаружение того, что поршень достиг своей остановки, которая ограничивает его движение при сжатии. В другом варианте осуществления схема управления может сделать это в ответ на обнаружение того, что измеренное положение поршня указывает, что расстояние сжатия узла гидроцилиндра превышает первое пороговое сжатие.
В этих вариантах осуществления схема управления сконфигурирована таким образом, чтобы вытравливание швартовного каната продолжалось в режиме управляемого проскальзывания до тех пор, пока датчик положения не укажет, что узел гидроцилиндра расширился более чем на пороговое расстояние от положения остановки или от первого порогового сжатия, и чтобы прекратить выдачу швартовного каната, как только будет достигнуто это пороговое расстояние. Это позволяет узлу гидроцилиндра реагировать на движение пришвартованного судна.
Вытравливание швартовного каната с помощью фрикционного барабана обеспечивает более широкий диапазон длины швартовного каната, чем при использовании узла гидроцилиндра, но обычно при более ограниченной максимальной скорости. Еще одно различие между вытравливанием швартовного каната с помощью узла гидроцилиндра и вытравливанием швартовного каната с помощью фрикционных барабанов с использованием скользящей муфты или регулируемой скользящей муфты заключается в том, что первое по своей сути меняется на противоположное, когда нагрузка на швартовном канате падает, а второе-нет.
Предпочтительно чтобы, когда длина швартовного каната была вытравлена из-за проскальзывания скользящей муфты или работы в режиме управляемого проскальзывания, двигатель или двигатели 36a, b, которые приводят во вращение первый и второй фрикционные барабаны 30, 32, приводились в действие после того, как сила, обусловленная усилием на швартовном канате, упала ниже порогового усилия сжатия. Намоточный барабан может работать одновременно с фрикционным барабаном 30, 32 для приема длины выбранного швартовного каната.
Например, фрикционные барабаны 30, 32 могут приводиться в действие для выбирания той же длины швартовного каната, которая была вытравлена ранее, когда усилие достигло порогового значения силы проскальзывания, или выбирание может продолжаться до тех пор, пока усилие, прилагаемое швартовным канатом, не достигнет заданного порогового значения ниже порогового значения силы сжатия. Блок швартовной тумбы может содержать датчик или датчики, помогающие задавать длину выбранного каната, например, датчик вращения, сконфигурированный для определения количества вращения фрикционных барабанов 30, 32 во время вытравливания и выборки каната, или датчик давления, сконфигурированный для измерения давления гидравлической жидкости в узле гидроцилиндра. Камера может использоваться для получения изображений швартовного каната или пришвартованного судна относительно места швартовки.
Операция по выбиранию каната может управляться удаленно оператором (на берегу или на судне) с использованием ввода от датчика или датчиков и/или на основе изображений. В качестве альтернативы может использоваться автоматическое управление выбиранием каната под управлением схемы управления с входами, соединенными с таким датчиком или датчиками, и выходом для управления вращением фрикционных барабанов 30, 32.
В варианте осуществления двигатели 36a, b являются двигателями с гидравлическим приводом или электродвигателями, приводимыми в действие через общий канал подачи гидравлической жидкости. Таким образом, вращение синхронизировано в том смысле, что силы динамически сбалансированы. Если один фрикционный барабан временно оказывает меньшее сопротивление, чем другой, гидравлическое давление заставит фрикционный барабан, оказывающий меньшее сопротивление, вращаться немного больше, чем другой, в результате чего разница в сопротивлении будет обращена вспять. Швартовная тумба может иметь электрический насос для создания давления в гидравлическом контуре двигателей. При использовании электродвигателей двигатели могут быть альтернативно синхронизированы электронным способом.
Хотя показан узел двигателя, содержащий два двигателя, следует иметь в виду, что вместо этого может использоваться узел двигателя, содержащий один двигатель на одном из фрикционных барабанов 30, 32 и механическую передачу от этого барабана к другому или механические передачи от одного двигателя и обоих барабанов. В одном варианте осуществления синхронное вращение может быть обеспечено с помощью скользящих муфт между одним двигателем и первым и вторым фрикционными барабанами 30, 32, причем скользящие муфты расположены так, чтобы обеспечить передачу усилия двигателя на фрикционный барабан 30, 32, который обеспечивает наименьшее усилие сопротивления, или на оба, если они обеспечивают одинаковое усилие сопротивления.
При вращении первого и второго фрикционных барабанов 30, 32 часть каната, выходящая из блока пары барабанов, может наматываться на намоточный барабан 34, который может приводиться в действие дополнительным двигателем (не показан), требующим меньшей мощности, чем двигатели 36a, b. Аналогично, намоточный барабан 34 может разматывать канат, когда первый и второй фрикционные барабаны 30, 32 оба работают фрикционными барабанами в обратном направлении.
После выбирания швартовного каната во время швартовки вращение первого и второго фрикционных барабанов 30, 32 фиксируется относительно монтажных пластин. Это приводит устройство для удержания каната в отказоустойчивое состояние, при котором для его работы не требуется источник питания, например, для двигателей 36a, b. Когда швартовный канат подвергается нагрузке, швартовный канат оказывает радиальные усилия на полуокружности на первом и втором фрикционных барабанах 30, 32, при этом швартовный канат изгибается вокруг первого и второго фрикционных барабанов 30, 32. Эти радиальные силы вызывают силу прерывистого проскальзывания по окружности вдоль швартовного каната в канавках, которая постепенно передает тянущее усилие швартовного каната на первый и второй фрикционные барабаны 30, 32. После каждой полуокружности нагрузка на швартовном канате становится меньше.
Кроме того, с увеличением тягового усилия на швартовном канате диаметр швартовного каната уменьшается. В результате швартовный канат входит глубже в канавки 40, так что его площадь контакта с первым и вторым фрикционными барабанами 30, 32 увеличивается, тем самым увеличивая силу прерывистого проскальзывания, которая передает тяговое усилие на первый и второй фрикционные барабаны 30, 32.
Как будет понятно, использование первого и второго фрикционных барабанов 30, 32 для зажима швартовного каната уменьшает максимальное усилие на швартовном канате по сравнению с решением, в котором швартовный канат зажимается путем его фиксации в одной точке. В то же время это позволяет регулировать длину швартовного каната к судну с помощью двигателя.
Кроме того, использование первого и второго фрикционных барабанов 30, 32 позволяет вытравливать или выбирать швартовный канат, даже когда швартовный канат находится под нагрузкой. В основном это включает синхронное вращение первого и второго фрикционных барабанов 30, 32, как описано для швартовки. Швартовный канат может быть выбран путем синхронного вращения первого и второго фрикционных барабанов 30, 32 в том же направлении, что и во время швартовки. Швартовный канат может быть вытравлен синхронным вращением первого и второго фрикционных барабанов 30, 32 в противоположном направлении.
В обоих случаях использование двух барабанов имеет то преимущество, что швартовный канат не должен скользить под нагрузкой по барабанам в осевом направлении барабанов или через канавки, в отличие от того, когда будет использоваться винтовая канавка. Вместо этого осевое смещение каждой части швартовного каната относительно каждого барабана осуществляется путем перемещения этой части швартовного каната к другому барабану и поворота этой части вместе с другим барабаном вокруг оси вращения под несколько иным углом. Это уменьшает износ швартовного каната.
Как будет понятно, то же преимущество может быть реализовано при использовании более двух (N>2) фрикционных барабанов, по крайней мере некоторые из которых имеют оси вращения под небольшим углом друг к другу. Здесь углы могут быть выбраны таким образом, чтобы точка выхода пути каната из канавки вокруг каждого фрикционного барабана находилась на том же расстоянии от общего основания барабанов, что и точка входа пути каната в канавку вокруг следующего фрикционного барабана. Таким образом, швартовный канат может последовательно проходить по N фрикционным барабанам, а затем возвращаться к первому из следующих друг за другом фрикционных барабанов.
Хотя был описан вариант осуществления, в котором фрикционные барабаны имеют одинаковый диаметр, следует отметить, что в этом нет строгой необходимости. Достаточно, чтобы точка выхода пути каната из канавки вокруг каждого фрикционного барабана находилась на том же расстоянии от общего основания барабанов, что и точка входа пути каната в канавку вокруг следующего фрикционного барабана, и чтобы сумма изменений расстояния между путем каната и общим основанием всех фрикционных барабанов приблизительно соответствовала шагу канавок.
Использование более одного фрикционного барабана в комбинации позволяет использовать кольцевые канавки, так что эти кольцевые канавки можно использовать для увеличения силы прерывистого проскальзывания (сцепления) с минимальным воздействием на износ швартовного каната. Однако в зависимости от величины необходимого усилия и количества раз, когда канат проходит вокруг барабанов, барабаны могут иметь более мелкие канавки, чем в представленном варианте, или последовательные части каната могут даже располагаться вплотную друг к другу, намотанные вокруг множества фрикционных барабанов, без использования канавок во фрикционных барабанах для отдельных обмоток.
Возможность использования первого и второго фрикционных барабанов 30, 32 или более фрикционных барабанов для вытравливания или выбирания швартовного каната под нагрузкой позволяет использовать фрикционный барабан 30, 32 или более фрикционных барабанов для вытравливания швартовного каната, когда обнаруживается, что гидравлический ограничитель усилия ограничивает усилие не только из-за прохождения пиков силовых нагрузок на судне. Аналогично, можно использовать фрикционный барабан 30, 32 для натяжения швартовного каната, когда обнаружено, что сила, прилагаемая швартовным канатом, остается ниже порогового значения дольше заданного времени.
В варианте осуществления гидравлический ограничитель усилия может быть снабжен датчиками для обнаружения таких условий, например, в виде одного или нескольких датчиков положения для обнаружения индикации положения поршня или того, прошел ли поршень верхнее или нижнее пороговое положение. В других вариантах осуществления имеется датчик или датчики гидравлического давления, сконфигурированные для определения давления в цилиндре, и/или датчик уровня, сконфигурированный для определения уровня гидравлической жидкости в резервуаре. Результаты работы датчиков могут передаваться в диспетчерскую, откуда могут приводиться в действие двигатели для вращения фрикционных барабанов. Швартовная тумба может содержать систему связи, сконфигурированную для передачи результатов датчиков и приема команд управления двигателем для этой цели. Система связи может быть, например, беспроводной системой, которая использует приемник или передатчик беспроводной сети передачи данных или проводную систему, т.е. использует кабель связи, который проходит к швартовной тумбе под морским дном.
В варианте осуществления может использоваться система автоматической регулировки, например, с управляющим компьютером или другой схемой управления, которая выполнена с возможностью приведения в действие двигателей, когда датчик или датчики указывают, что усилие на швартовном канате находится выше верхнего порогового значения или ниже нижнего порогового значения, или что это происходит в течение времени, превышающем заданный промежуток времени.
Когда судно отшвартовано, швартовный трос отсоединяется от судна. Когда это произойдет, двигатели 36a, b могут быть запущены для синхронного вращения первого и второго фрикционных барабанов 30, 32, чтобы выбрать швартовный канат с судна, и швартовный канат наматывается на намоточный барабан 34.
Можно отметить, что описанный тип зажима может также использоваться для зажима швартовных канатов с судов в других местах, помимо швартовной тумбы, например, вдоль причала. Оси вращения фрикционных барабанов не обязательно должны быть горизонтальными. Вместо этого они могут быть, например, вертикальными. Зажим может использоваться в качестве динамического кнехта, который позволяет дистанционно управлять длиной каната от кнехта до судна даже в условиях нагрузки, когда швартовный канат остается под нагрузками, возникающими при швартовке судна.