Россия
Россия
Россия
Россия
Операции по спуску-подъему, буксировке подводных и надводных объектов осуществляются с помощью судовой лебедки. В результате воздействия любых внешних возмущений в буксировочном тросе наблюдаются колебания, имеющие резонансные максимумы, которые могут попадать в диапазон частот колебаний судна. С увеличением длины троса увеличивается и количество резонансных частот, находящихся в рабочем диапазоне. Такие условия эксплуатации судового грузоподъемного оборудования негативно отражаются на работе судовой энергетической установки в целом. С целью повышения уровня надежности палубного грузоподъемного оборудования предлагается применение системы адаптивного управления, которая бы своевременно реагировала на изменение нагружения. В качестве приложения такого рода системы рассматривается грузоподъемное оборудование рыбопромыслового судна, при работе которого наблюдается нестационарность динамических процессов. Рассматривается принцип работы адаптивного гидропривода траловой лебедки. Решена актуальная научно-техническая задача по разработке комплексной математической модели подобного рода системы управления. Определены направления экспериментального исследования. Предложена лабораторная установка, позволяющая оценить влияние параметров механической системы на динамику гидравлического привода грузоподъемного устройства, адаптивного к переменности нагружения. Установка функционирует за счет изменения количества и массы нагрузочных дисков, установленных на ведущем и ведомом шкивах и имитирующих изменение инерционного коэффициента, что является характерным для траловой лебедки. Вторым направлением экспериментальных исследований является проверка на адекватность полученных математических моделей. Представлены итоги проверки в виде расчетной и усредненной экспериментальной динамограмм, которые хорошо согласуются, отклонение при этом не превышает 8 %.
адаптивное управление, гидравлический привод, судовые грузоподъемные устройства, экспериментальные исследования, математическая модель
Введение
Судовые вспомогательные механизмы, устройства и системы являются неотъемлемой частью судовой энергетической установки, обеспечивая требуемые эксплуатационные показатели судна и выполнение его технологического назначения [1]. К таким механизмам относятся и палубные грузоподъемные устройства, тенденция развития которых определяется общим направлением объема механизации и автоматизации производственных операций с целью сокращения их трудоемкости, уменьшения эксплуатационных расходов и повышения надежности. При этом доля российской продукции до реализации плана по импортозамещению в судостроительной отрасли Российской Федерации на период до 2024 г., приходящаяся на палубное грузоподъемное оборудование, составляет порядка 25–40 %.
Подъем-спуск, буксировка, изменение глубины погружения объекта, а также контроль взаимного местоположения судна и подводного или надводного объекта осуществляется с помощью судовой лебедки, на барабан которой наматывается трос или кабель-трос. На практике установлено, что реальный срок эксплуатации лебедки от заявленного времени наработки на отказ колеблется в пределах 40–80 % [2]. Обусловлено это непостоянными условиями работы, теоретические модели описания которых на данный момент имеют определенные недостатки и зачастую не учитывают нестационарность работы грузоподъемного оборудования судна. Также отсутствуют адекватные математические модели и алгоритмы управления системой «судно – грузоподъемное оборудование – трос – буксируемый объект».
Среди такого вида оборудования отдельное внимание следует уделить грузоподъемному оборудованию рыбопромыслового судна. Работа подобных устройств осуществляется в условиях переменного нагружения, при котором могут изменяться параметры системы «трос – буксируемый объект» (их масса, форма, инерционный и гидродинамический коэффициенты, длина троса и т. д.). Значительное влияние на работу грузоподъемного оборудования оказывают гидродинамические факторы и особенности рельефа дна, по которому движется буксируемый объект. Возникающие в результате нестационарные нагрузки имеют место не только при переходных процессах, но и во время установившегося режима работы, что негативно отражается на их работоспособности и надежности.
Отсутствие систем управления, которые бы своевременно реагировали на изменение нагружения, обеспечивая тем самым надежность оборудования, составляет основное научное противоречие при проектировании нового палубного оборудования. В основе этого противоречия лежит несколько нерешенных вопросов, среди которых находится и задача расчета динамических характеристик грузоподъемного оборудования судна. Поэтому исследования, направленные на совершенствование системы привода судового грузоподъемного оборудования, являются актуальными и имеют научную и практическую значимость.
Материалы и методы исследований
1. Базовая модель и описание системы. При проектировании судовых грузоподъемных устройств следует учитывать динамические характеристики элементов их привода, что позволит избежать резонансных явлений в механической системе.
Для предотвращения длительной перегрузки приводного механизма траловых, якорных лебедок, обрыва троса, потери буксируемого объекта предусматривается автоматическое отключение устройства, применение предохранительных автоматических клапанов. Эти меры хорошо зарекомендовали себя при стационарной работе оборудования [3–8]. Однако к выходу грузоподъемных устройств из строя приводят не только зацепы, но и нестационарные условия нагружения. Наиболее очевидно это можно проследить на примере эксплуатации траловой лебедки, условия работы которой можно описать как «особые». В таких условиях эксплуатации не желательна остановка лебедки, т. к. процесс подъема следует продолжать в установившемся режиме. Поэтому для обеспечения повышенного уровня надежности такого рода судовых грузоподъемных устройств предлагается система адаптивного управления, суть которой заключается во включении дополнительного гидромотора в гидравлический привод лебедки (рис. 1).
|
АД |
|
Н |
|
Р1 |
|
ОК1 |
|
ОК2 |
|
ОК4 |
|
ОК3 |
|
ОК5 |
|
ПК1 |
|
ПК2 |
|
ПК3 |
|
ПК4 |
|
Д1 |
|
Д2 |
|
УУ |
|
ГМ1 |
|
ГМ2 |
|
МП |
|
Р2 |
|
Р3 |
|
НП |
|
Р4 |
|
Q1Н |
|
Q2Н |
|
Q21ГМ |
|
Q22ГМ |
|
Q11ГМ |
|
Q12ГМ |
|
G(t) |
|
φ3 |
|
φ4 |
|
φ5 |
Рис. 1. Расчетная схема адаптивного гидропривода траловой лебедки:
ГМ1 и ГМ2 – основной и дополнительный гидромоторы; АД – асинхронный двигатель; Н – насос;
НП – насос подпиточный; МП – механизм подъема; ОК1, ОК2, ОК3, ОК4, ОК5 – обратные клапаны;
ПК1, ПК2, ПК3 – предохранительные клапаны; ПК4 – переливной клапан; ДК1 и ДК2 – дроссели;
УУ – управляющее устройство
Fig. 1. Calculation scheme of the adaptive hydraulic drive of the trawl winch:
ГМ1 and ГМ2 - main and additional hydraulic motors; АД - asynchronous motor; Н - pump; НП - make-up pump;
MП - hoisting mechanism; OК1, OК2, OК3, OК4, OК5 - check valves; ПК1, ПК2, ПК3 - safety valves; ПК4 - overflow valve; ДК1 and ДК2 - throttles; УУ - control device
Так, в процессе выборки орудия лова при внезапном росте нагружения со стороны поднимаемого груза к основному гидромотору ГМ1 подключается дополнительный гидромотор ГМ2 за счет срабатывания управляющего устройства. Такое подключение дает возможность плавного регулирования рабочих параметров и уменьшения динамических нагрузок в течение длительного периода времени [9].
Разработанная с учетом особенностей работы привода в определенных условиях математическая модель нестационарных режимов системы адаптивного управления грузоподъемного оборудования рыбопромыслового судна содержит уравнения баланса расхода жидкости и уравнения движения механической части [10–12].
При моделировании гидравлической части постоянными учитывались производительность насоса, общий объем рабочей жидкости в каждой магистрали и в соединительных каналах, температура и вязкость рабочей жидкости, давление жидкости в напорных и сливных магистралях, угол отклонения потока при малых колебаниях закрытия клапана вблизи устоявшегося положения. Также было принято, что потери в магистрали нагнетания пропорциональны давлению, перетечки в гидромашинах представлены в виде линейных функций разности давлений в магистралях, утечки в гидромашинах представлены линейной функцией давления.
Уравнения расхода рабочей жидкости, которая проходит через насос:
– в напорную магистраль:
; (1)
– в сливную магистраль:
(2)
где
– на утечки в насосе:
. (3)
При номинальном нагружении в уравнении, описывающем работу гидромеханического привода, сначала учитываем работу одного гидромотора ГМ1.
Уравнения расхода рабочей жидкости:
– в напорной магистрали гидромотора ГМ1:
; (4)
– в сливной магистрали гидромотора ГМ1:
; (5)
– на утечки в гидромоторе:
. (6)
Тогда общие уравнения расхода рабочей жидкости, которые определяют связь между объемами жидкости, протекающими через насос, и гидромотором, с учетом деформации жидкости и трубопроводов, будут иметь вид:
– в напорной магистрали:
; (7)
– в сливной магистрали:
(8)
где
При этом следует учесть, что .
Когда во время работы судового палубного грузоподъемного оборудования значение нагружения превышает номинальное, в гидравлической системе устанавливается давление, превышающее номинальное, и включается управляющее устройство (УУ), и тогда рабочая жидкость поступает в рабочую камеру дополнительного гидромотора ГМ2, включая его параллельно основному гидромотору ГМ1, что позволяет системе воспринимать увеличенные нагрузки.
В этом случае уравнения расхода рабочей жидкости будут иметь вид:
– в напорной магистрали:
; (9)
– в сливной магистрали:
. (10)
В модели приняты следующие обозначения: Q1Н, Q2Н – подача насоса в напорную магистраль и расход из сливной магистрали в насос; ,
– расход рабочей жидкости гидромоторов HМ1, HМ2 через напорную и сливную магистраль соответственно; qН – удельная подача насоса при повороте вала на угол в 1 радиан; γ – угол поворота УУ насоса; kН – коэффициент удельной подачи насоса;
,
– коэффициенты перетечек и утечек в насосе и в гидромоторе HМ1; Р1, Р2, Р3, Р4, РУУ – давления в напорной и сливной магистралях настройки подпиточного клапана ПК2, в магистрали гидродвигателя HМ1 после срабатывания УУ, в гидролинии устройства управления соответственно; φ1, φ2, φ3, φ4, φ5 – угол поворота ротора электродвигателя, вала насоса, валов гидромоторов HМ1 и HМ2, навивочного барабана соответственно; VL – объем жидкости в каждой гидролинии; d0, δ – внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода; Ест, Еж – модули упругости материала стенки трубопровода и жидкости.
Так как длина троса, навиваемого на барабан лебедки, достаточно велика, то привод лебедки представлен как система с распределенными параметрами в виде нити переменной длины с движущимися границами. Приняв в уравнении Лагранжа 2 рода в качестве обобщенных координат углы поворота φ1, φ2, φ3, φ4, φ5 функцию удлинения , получим математическую модель, описывающую динамические процессы в упругих элементах исследуемого гидромеханического привода. При разработке математической модели механической части все дискретные массы были приняты как абсолютно жесткие тела, соединения которых представлены упругими невесомыми связями с постоянным коэффициентом жесткости.
Выбираемый трос представлен весомой упруго-вязкой нитью переменной длины погонного веса из изотропного материала, деформация которого осуществляется согласно закону Гука, и поперечные колебания не рассматриваются. Скольжение троса по барабану незначительно.
Таким образом,
; (11)
; (12)
; (13)
(14)
; (15)
. (16)
В результате исследований получена система уравнений при номинальном нагружении (1–8) и при срабатывании адаптивной системы в случае достижения номинального нагружения, превышения его более чем на 10 % от номинального (9–10). Уравнения (11–16) представляют собой математическую модель динамики движения механической части привода лебедки. Совокупность уравнений (1–16) является комплексной моделью системы адаптивного управления судовой лебедкой, работающей в особых условиях.
2. Проведение экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования, позволяющие определить рабочие характеристики исследуемого привода и устройств управления при изменении их параметров, являются одним из необходимых этапов создания новых конструкций приводов судовых грузоподъемных устройств.
Экспериментальные исследования для подобного рода системы адаптивного управления следует проводить в двух направлениях:
– для определения закономерностей влияния изменения параметров поднимаемого груза на динамику адаптивного гидравлического привода;
– для установления адекватности математической модели привода грузоподъемного устройства реальным физическим процессам, которые происходят в гидромеханической системе лебедки.
Результатом является оценка количественных значений ошибок результатов аналитического и экспериментального исследования. Необходимо изучить влияние инерционного нагружения привода на динамику переходных процессов пуска гидроприводного агрегата; определить влияние изменения объема полостей напорной гидромагистрали на характер и время переходного процесса, влияние крутильной жесткости транспортирующего органа на динамику переходного процесса пуска гидропривода, величину коэффициента податливости гидросистемы привода грузоподъемного устройства для использования ее в теоретических исследованиях; а также на основе сравнительного анализа экспериментальных и теоретических исследований установить возможность использования математической модели адаптивного гидравлического привода судового грузоподъемного устройства для расчетов.
Определение закономерностей влияния изменения параметров поднимаемого груза на динамику адаптивного гидравлического привода.
Для реализации первого направления разработана лабораторная установка, в состав которой входит насосная станция и приводная часть исследуемого объекта, установленная на раме, а также измерительная и регистрирующая аппаратура. Для удобства проведения экспериментальных исследований и регистрации параметров корпус барабана снят.
Принципиальная гидрокинематическая схема (рис. 2) состоит из насоса 2, предохранительного клапана 1, фильтра высокого давления 3, пружинного гидроаккумулятора 5, гидромоторов 7 и 9, приводного устройства 8, регулятора расхода 12. Для контроля величины рабочего давления система обеспечивается манометрами: в напорной магистрали – 4, в сливной – 11. Для измерения расхода жидкости, потребляемой гидросистемой исследуемого приводного устройства, используется расходомер 14 в сливной гидролинии, при этом вентиль 13 закрыт. При моделировании крутильной жесткости подъемный механизм представлен в виде клиноременной передачи 16, ведомый шкив которой установлен на валу нагружающего устройства 17. В качестве нагружающего устройства применяется электромагнитный порошковый нагрузочный тормоз, в котором момент сопротивления создается подачей напряжения постоянного тока на статор. Изменение нагружения на тормозе осуществляется сменой подачи тока. Для моделирования инерционного нагружения подъемного механизма используется набор дисков 19 разной массы, которые устанавливаются на промежуточный вал или на свободный конец вала нагружающего устройства. В качестве регистрирующей аппаратуры используются тензометрические датчики давления: на входе в напорных гидролиниях гидромоторов – 6 и 15, для записи изменения давления на выходе в сливной гидролинии – 10. Величина момента сопротивления движению регистрируется тензометрическим датчиком 18, размещенным на измерительной скобе порошкового тормоза. Изменение числа оборотов регистрируется тахометрическим датчиком во время пуска промежуточного вала 20 или вала нагружающего устройства 21.
Рис. 2. Принципиальная гидрокинематическая схема лабораторной установки для исследования гидравлического привода, адаптивного к изменению нагружения
Fig. 2. Principal hydrokinematic diagram of a laboratory unit for studying a hydraulic drive adaptive to changing loading
Влияние параметров механической системы на динамику гидравлического привода грузоподъемного устройства, адаптивного к переменности нагружения, целесообразно определять с помощью:
– изменения нагрузочных дисков различного веса, установленных на ведущем и ведомом шкивах и имитирующих изменение инерционного коэффициента, что характерно для траловой лебедки;
– изменения количества элементов гибкой связи, характеризующей крутильную жесткость системы;
– изменения объема пружинного гидравлического аккумулятора, имитирующего объем полости напорной магистрали.
Во время проведения экспериментальных исследований следует измерять следующие параметры привода: давление на входе и выходе гидромоторов; число оборотов промежуточного вала и вала нагружающего устройства; момент сопротивления движению, создаваемый нагружающим устройством; расход рабочей жидкости, потребляемой гидроприводом; температуру рабочей жидкости.
С целью получения достоверных значений параметров гидромеханической системы данные разделены на два типа: переменные, значения которых проверяются в ходе эксперимента, и базовые. Тогда количество необходимых измерений одного и того же режима определяется по формуле
,
где γ – доверительная вероятность того, что погрешность определения параметра находится в допустимых пределах. Приняв γ = 0,8÷0,9, получим
Таким образом, для определения достоверности результатов минимальное количество измерения должно быть не менее девяти.
В соответствии с центральной предельной теоремой Ляпунова случайная погрешность распределена по закону, близкому к нормальному [13]. Поэтому при обработке результатов измерений при малой выборке целесообразно использовать распределение Стьюдента, которое описывается выражением
,
где – плотность вероятностей случайной величины х; σ – среднее квадратическое отклонение случайной величины х от центра распределения;
– абсолютная погрешность;
– математическое ожидание непрерывной случайной величины или среднее арифметическое значение дискретной случайной величины; х – значение случайной величины, вероятность появления которой определяется;
,
.
В соответствии со структурной схемой измерительной цепочки «датчик – усилитель – осциллограф – осциллограмма – график – параметр» результирующая полная погрешность определения величины параметров исследуемого объекта составляется из систематических и случайных ошибок этой цепочки, среднеквадратическое значение которой рассчитывается по формуле
,
где – результирующая погрешность измерительной цепочки;
– погрешность датчика,
;
– погрешность усилителя,
;
– погрешность осциллографа,
;
– погрешность осциллограммы и графика,
. В результате суммарная погрешность
, что свидетельствует о высокой достоверности результатов экспериментальных исследований.
Результаты исследования и их обсуждение
Вторым направлением экспериментального исследования является проверка адекватности разработанной комплексной математической модели. Так как процесс добычи рыбы является энергозатратным, то проведение большого числа натурных экспериментов является дорогостоящим и не всегда возможным. Однако в механике рыбного промысла накоплена достаточно большая экспериментальная база, проводимая различными НИИ СССР и РФ, данные которой и были использованы.
На рис. 3 представлены динамограммы, построенные по результатам имитационного моделирования в среде MathCad и по усредненным экспериментальным данным.
|
30 |
|
60 |
|
90 |
|
120 |
|
150 |
|
180 |
|
210 |
|
240 |
|
270 |
|
300 |
|
330 |
|
360 |
|
0 |
|
5 |
|
10 |
|
15 |
|
20 |
|
25 |
|
30 |
|
Время выборки троса, с
|
|
Тяговое усилие, кН |
Рис. 3. Динамограмма тягового усилия на этапе выборки троса:
calculated; - - - - - - - average experimental
Построенные по результатам имитационного моделирования в среде MathCad и по усредненным экспериментальным данным динамограммы (рис. 3) согласуются и отклонение не превышает 8 %.
Заключение
Особенностью проведения экспериментальных исследований подобного рода адаптивных систем управления грузоподъемных устройств является то, что их целесообразно вести по двум направлениям: как для определения закономерностей влияния изменения параметров поднимаемого груза на динамику привода, так и для установления адекватности математической модели привода грузоподъемного устройства реальным физическим процессам.
Предложенная лабораторная установка может использоваться при исследовании такого рода систем управления, адаптивных к изменению нагружения и работающих в особых условиях, что позволит проводить комплекс исследований и получать результаты, достаточные для установления адекватности полученных зависимостей динамики работы привода.
Предложенная методика расчета динамических нагрузок при нестационарных режимах позволяет на этапе проектирования согласовать параметры системы адаптивного управления с упруго-инерционными характеристиками грузовой системы с учетом особенностей работы привода в особых условиях.
1. Те А. М. Эксплуатация судовых вспомогательных механизмов, систем и устройств. Владивосток: Изд-во Мор. гос. ун-та им. адм. Г. И. Невельского, 2014. 178 с.
2. Башуров Б. П., Скиба А. Н., Чебанов В. С. Функциональная надежность и контроль технического состояния судовых вспомогательных механизмов. Новороссийск: Изд-во МГА им. адм. Ф. Ф. Ушакова, 2009. 192 с.
3. Нино В. П. Диагностика технических средств на рыбопромысловых судах в процессе их эксплуатации // Рыб. хоз-во. 2014. № 4. С. 113-115.
4. Половко А. М., Гуров С. В. Основы теории надежности. СПб.: БХВ-Петербург, 2006. 704 с.
5. Антипов В. В., Бобрович В. Ю., Болховитинов В. К., Болисов А. А. Математическое обеспечение и аппаратная реализация задач управления комплексом «рыбопромысловое судно - орудия лова» // Мор. вестн. 2011. № 4 (40). С. 45-49.
6. Kim Y. H., Park M. C. The simulation of the geometry of a tuna purse seine under current and drift of purse seiner // Ocean engineering. 2009. V. 36. Iss. 14. P. 1080-1088. DOI:https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2009.06.011.
7. Bi C. W., Zhao Y. P., Dong G. H., Xu T. J., Gui F. K. Experimental investigation of the reduction in flow velocity downstream from a fishing net // Aquacultural engineering. 2013. V. 57. P. 71-81. DOI:https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2013.08.002.
8. Carral J., Carral L., Lamas M., Rodríguez M. J. Fishing grounds’ influence on trawler winch design // Ocean Engineering. 2015. V. 102. P. 136-145. DOI:https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2015.04.055.
9. Ивановская А. В., Богатырева Е. В., Попов В. В. Обоснование применения гидравлического привода, чувствительного к изменению нагружения // Вестн. Керч. гос. мор. технолог. ун-та. 2018. № 1. С. 62-68.
10. Ivanovskaya A., Popov V. Mathematical model of the volumetric hydrodrive’s dynamics, sensitive to the loading variation // MATEC Web of Conferences 224, 02100 (2018) ICMTMTE 2018. URL: https://doi.org/10.1051/matecconf/201822402100 (дата обращения: 25.07.2022).
11. Ivanovskaya A., Popov V., Bogatyreva E., Bidenko S. Development of complex mathematical model of hydraulic drive, sensitive to the loading variations // Vibroengineering Procedia. 2019. V. 25. P. 171-176. DOI:https://doi.org/10.21595/vp.2019.20797.
12. Ивановская А. В., Жуков В. А., Попов В. В. Исследование динамики приводов грузоподъемных устройств рыбопромыслового судна // Вестн. Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2021. Т. 13. № 6. С. 875-886. DOI:https://doi.org/10.21821/2309-5180-2021-13-6-875-886.
13. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1988. 480 с.
