Методика создания тренажеров крановщиков для эксплуатации кранов в морских и речных портах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат технических наук Шаталин, Олег Геннадьевич

• Шаталин, Олег Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шаталин, Олег Геннадьевич

Введение.

Глава I. Анализ современного состояния создания и работы существующих тренажёров на транспорте.

§1. Существующие тренажёры водителей транспортных средств.

§2. Анализ действующих тренажёров для обучения крановщиков.

§3. Принципы создания электронных тренажёров. Цели и задачи исследования.

Глава II. Математическая модель плавучего крана.

§4. Расчётная схема плавучего крана и технология его работы.

§5. Выбор обобщённых координат и скоростей. Допущения.

§6. Определения суммарной кинетической энергии плавучего крана.

§7. Определения обобщённых сил.

§8. Составление уравнения Лагранжа второго рода.

Глава III. Подготовка математической модели для целей создания компьютерного тренажёра.

§9. Дополнительные допущения и преобразование уравнений для решения на ЭВМ.

§10. Алгоритм решения системы дифференциальных уравнений.

§11. Заданные функции системы плавучего крана.

Глава IV. Создание электронного тренажёра.

§12. Электронно-механическое устройство тренажёра.

§13. Программный пакет для персональной ЭВМ.

§14. Использование тренажёра в учебных и производственных организациях. Эффективность применения тренажёра.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика создания тренажеров крановщиков для эксплуатации кранов в морских и речных портах»

В морских и речных портах, в специальных учебных заведениях ежегодно осуществляется подготовка более 1000 машинистов кранов [ 4 ] по программе: теоретическое обучение, а затем производственное обучение непосредственно на кране.

Такая система приводит к тому, что длительность производственного обучения, то есть приобретение навыков управления довольно большая, потому, что за рычаги управления будущий крановщик садится впервые. На начальном этапе обучения будущий машинист крана работает с рывками механизмов, то есть с резкими пусками - остановками механизмов, что из-за больших инерционных нагрузок приводит к частым поломкам [9, 10].

Кроме того, кран длительное время выведен из нормальной эксплуатации и используется только для обучения крановщиков. То есть происходит непроизводительное использование грузоподъёмной машины. Важно так — же, чтобы приобретаемые навыки управления краном обеспечивали наибольшую производительность машины при минимальных нагрузках на металлоконструкцию и механизмы крана. Достигнуть такого состояния быстро при отсутствии тренажёра для крановщиков достаточно трудно.

Развитие компьютерной техники в мире, в частности высокопроизводительных персональных ЭВМ позволяет сравнительно быстро и недорого решать задачи трудноосуществимые 10 лет назад.

Всё это позволяет сделать вывод о необходимости и возможности широкого применения компьютерных тренажёров нового поколения для обучения крановщиков.

В СССР и России разработкой подобных тренажёров занимался Пермский политехнический институт. Было создано более двух десятков образцов тренажёров различных кранов. Однако созданные тренажёры не нашли широкого применения в основном по трём причинам: и

- тренажёр предусмотрен изготовляться как индивидуальная конструкция;

- недостаточная визуализация перегрузочного процесса. На дисплее, как правило, нужно совместить две светящиеся фигуры - груз и точка адресации груза. Отсутствует изображение реальных объектов (судна, складов, причала и др.);

- не предусмотрена возможность оперативно менять компьютерную программу для изменения задания обучаемым крановщикам.

Кроме того созданные тренажёры устарели морально.

В современных учебных заведениях, готовящих крановщиков, очень мало тренажёрных средств. Тому есть ряд причин. Учебные комбинаты ведут учебный процесс по старой и проверенной методике, не предусматривающей применение ЭВМ и тренажёров, т. к. когда создавалась эта методика, такие технические средства ещё не были широко распространены. Современные тренажёры достаточно дороги и их закупка считается не оправданным экономически. В настоящее время руководители предприятий не достаточно отчётливо понимают эффективность применение тренажёров. Подъёмный кран неоправданно считается менее опасной машиной для оператора, окружающих людей и среды, чем самолёт, поезд или корабль. Поэтому принято обучать будущих крановщиков навыкам управления непосредственно на кране. В речных и морских портах осталось много подъёмных кранов со времён СССР, когда грузооборот был значительно выше, чем в настоящее время, поэтому пока новая техника покупается редко и для обучения крановщиков используется свободная старая техника. Кроме того, на производстве и транспорте работает много крановщиков, получивших опыт во времена Советского Союза, и этих рабочих кадров пока хватает для обслуживания современного уменьшившегося грузооборота. Однако через несколько лет большинство из опытных крановщиков достигнут пенсионного возраста и остро встанет вопрос о подготовке новых кадров.

Директора и владельцы предприятий будут вынуждены тратить больше средств на подготовку новых кадров.

Вместе с тем, в настоящее время в России практически отсутствуют предложения на рынке тренажёров для обучения операторов подъёмных средств. Задача настоящего исследования - показать возможность создания недорогого тренажёра, который будет использоваться для формирования у будущих крановщиков первоначальных навыков управления подъёмным краном.

В сегодняшних экономических условиях, когда, с одной стороны возрастает спрос на тренажёрную технику, а с другой, обостряются вопросы согласования сроков и стоимости создания тренажёров, вопросы определения эффективности их дальнейшего использования, задача выбора тренажёров становится весьма актуальной как с педагогических, так и с экономических позиций. Поэтому выбор тренажёра (комплекса тренажёрных средств), требующегося для профессиональной подготовки того или иного субъекта обучения, должен быть строго научно увязан с процедурой установления пространства выбора на основе некоторой классификации, с правилами (алгоритмами) выбора конкретного средства профессиональной подготовки (СПП) из данного пространства и, следовательно, с показателями эффективности этого выбора.» [ 2 ]

Проблеме выбора тренажёра посвящена первая глава. Основные черты и признаки современного тренажёра для обучения операторов подъёмной техники показаны в первой главе на основе примеров тренажёров нового уровня для обучения операторов различных транспортных средств.

Вторая глава посвящена созданию математической модели плавучего крана для целей написания программы для персональной ЭВМ тренажёрного комплекса.

В третьей главе проводится адаптация математической модели для конкретного тренажёра. Далее описываются заданные функции работы механизмов крана.

В четвёртой главе рассказывается непосредственно о создании опытного образца тренажёра для обучения крановщиков плавучего крана. Здесь же описывается интерфейс (способ общения с оператором) тренажёра, настройка и возможности изменения параметров моделируемой ситуации работы крана. Так же приводятся результаты внедрения опытного образца тренажёра в учебный процесс Московской Государственной академии водного транспорта.

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», Шаталин, Олег Геннадьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При проведении анализа методов и технических средств для обучения машинистов кранов в портах выявлена необходимость и возможность разработки принципиально нового тренажёрно - обучающего комплекса.

Проведён обзор существующих тренажёров для обучения водителей и операторов транспортных и перегрузочных средств. Обзор показал широкое распространение и совершенство тренажёров для судоводителей, автоводителей, машинистов поездов, но малую распространённость тренажёров для операторов подъёмно-перегрузочных машин.

Отмечены недостатки и сильные стороны существующих тренажёров для обучения машинистов кранов.

На основе проведённого анализа выделены основные признаки современного тренажёра нового уровня для обучения машиниста крана:

1 Тренажёр на базе серийной ПЭВМ.

2 Применение натурных средств управления, максимальное приближение обстановки тренажёра к обстановке реального рабочего места.

3 Визуализация в тренажёре среды, окружающей имитируемую машину ( кран ).

4 Наличие в тренажёре нескольких возможных схем тренировки для увеличения заинтересованности обучаемого и увеличения эффективности тренировки.

5 Выведение на экран параметров рабочего процесса.

6 Возможность гибко менять задание для обучаемого и условия имитируемой работы подъёмного крана.

7 Автоматическая оценка действий обучаемого на основе специально разработанных критериев.

Описаны принципы выбора тренажёра и методика составления технического задания на тренажёр.

Составлена расчётная схема плавучего крана для целей создания тренажёра, обучающего первоначальным навыкам управления плавучим краном.

Выполненное теоретическое исследование обеспечило получение математической модели плавучего крана для условий работы с гибкой подвеской груза в виде системы дифференциальных уравнений второго порядка на основе уравнения Лагранжа 2-го рода, с коэффициентами, зависящими от заданных функций времени. В качестве обобщённых координат взяты:

- угол крена понтона ©;

- угол дифферента понтона

- угол отклонения грузового каната в плоскости стрелы ар;

- угол отклонения грузового каната в плоскости, перпендикулярной плоскости стрелы о^;

Общий вид системы уравнений:

0"А, + Ч"'А2 + ар" А3 + а^/ц + ©'А5 + Ч"А6 + а Р'А7 +ат'А8 + + А90 + Аюар + An = О

0"В, + Ч"'В2 + ар"В3 + ат,,В4 + 0'В5 + Ч"В6 + а Р'В7 + o^'Bg + 105 ) В9гР + Вюар + В11 = 0

0"С, + Г'С2 + ар"С3 + ат"С4 + 0'С5 + ТС6 + С7ар + С8 = О t 0"D, + 4"'D2 + ар"С4 + а?"С3 + 0'D5 + + С7От + D8 = О

Ai - Ац , В] - Вц , Ci — С8 , Di- D8 - величины, зависящие от заданных функций, геометрических и инерционных параметров

Теоретическое обобщение решения системы дифференциальных уравнений представлено в виде, пригодном для составления алгоритма и компьютерной программы. Разработан путь решения математической модели, который применён в программе электронного тренажёра. Даны рекомендации для принятия численных значений величин, используемых при решении уравнений движения груза. Исследованы параметры функций времени (работы механизмов подъёма, поворота и вылета), используемых в уравнениях движения плавучего крана.

Математическая модель подвергнута оправданным упрощениям с целью использования её в программе для персональной ЭВМ тренажёрного комплекса.

Поисковые исследования комбинаций и форм заданных функций времени механизмов подъёма, поворота и изменения вылета стрелы крана позволили разработать расчётную циклограмму его работы при обучении на тренажёрно — обучающем комплексе.

Во время научно-исследовательской работы созданы программа для персональной ЭВМ тренажёрного комплекса, сам тренажёр с натурными органами управления - коммандоконтроллерами, а так же переходное электронное устройство, связывающее органы управления с ПЭВМ. Программа позволяет рассчитать положение грузозахватного органа в любой момент времени в зависимости от действий оператора, получить изображения грузозахватного органа с грузом или без, района перегрузки с окружающими объектами как вид из кабины крановщика. Экран монитора является элементом системы визуализации тренировки. Программа тренажёра выводит на экран текущие параметры тренировочного процесса: текущие координаты грузозахватного органа, координаты точки адресации грузозахватного органа, текущие скорости механизмов крана, время, прошедшее с начала грузового цикла. Программа автоматически регистрирует и записывает в память циклограммы работы механизмов крана и сравнивает с оптимальной циклограммой для данной схемой механизации и параметров перегрузки. Программа автоматически оценивает работу оператора.

Программа для • ПЭВМ условно разделена на графическую и программную части.

Графическая часть состоит из серий «кадров» - изображений, видов из кабины крановщика. Каждый «кадр» отличается от соседних изменением изображения при повороте крана на 0,1 градуса. При каждом повороте крана, моделируемом тренажёром, происходит загрузка на экран соответствующего изображения окружающей обстановки. Серия изображений создавалась при помощи графического пакета 3D-MAX. Но источником «кадров» могут служить любые другие способы создания изображений. Например, реальная съёмка на цифровую камеру вида из кабины крановщика реального крана. Такая система визуализации выводит тренажёрный комплекс на качественно новый уровень, по сравнению с существующими образцами.

Для программной части создан алгоритм работы. Программная часть написана на языке программирования С++.

Электромеханическая часть тренажёра взята как серийное кресло крановщика с командоконтроллерами. Электронное переходное устройство разрабатывалось отдельно и служит для формирования сигналов для ПЭВМ, информирующих о текущем положении командоконтроллеров. Таким образом найден вариант, когда на стадии теоретического обучения будущий крановщик осваивается со своим рабочим местом.

Тренажёр опробован во время учебного процесса в Московской Государственной Академии водного транспорта при проведении занятий по дисциплинам: «Устройство и оборудование портов», «Портовые подъёмно-транспортные машины». Написано руководство по применению тренажёра.

Тренажёр позволяет познакомить учащихся со способом управления подъёмным краном, особенностями перегрузки грузов с помощью подъёмных кранов с канатной подвеской грузозахватного органа. С помощью программы тренажёра строиться циклограмма работы крана и сравнивается с расчётной, полученной на лабораторных работах.

Эксплуатация тренажёра во время 2003/2004 учебного года выявило функциональность тренажёра, а так же отдельные рекомендации по совершенствованию электромеханической и программной частей тренажёра.

Представляется, что дальнейшие работы по совершенствованию тренажёрных комплексов для обучения крановщиков должны вестись на основе подробного технического задания от предприятия, где будет эксплуатироваться тренажёр [ 35 ]. Возможные направления:

- использование в качестве органов управления модернизированных джойстиков как имитации командоконтроллеров, а не самих командоконтроллеров с переходным электронным устройством;

- имитация в тренажёре воздействия большего числа факторов (качки, ветра и т. д.);

- использование звуковых эффектов для увеличения реальности тренировки;

- применение в тренажёре более мощной персональной ЭВМ;

- для создания системы визуализации применение новейших графических программ (процессоров), либо съёмки на цифровую видеокамеру окружающей местности из кабины крановщика.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шаталин, Олег Геннадьевич, 2004 год

1. "Master" судоводительский тренажёр. -г.Омск: Издательство «Омская правда», 1991. — 9 с.

2. Недзельский И. И. Морские навигационные тренажёры: проблемы выбора-СПб: ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 2002.-220 с.

3. Отчёт по научной работе академика Российской инженерной академии, академика академии транспорта России, ректора МИВТа Гаранина Н. П. - Москва: МИВТ, 1993.-32 с.

4. Система «человек-машина» // Новый энциклопедический словарь. - М.: Науч. изд. «Большая российская энциклопедия», 2004. - С. 1113.

5. Бать М. И., Джанелидзе Г. Ю., Кельзон А. С. Теоретическая механика в примерах и задачах: Учеб. пособие для втузов. В 3-х т. Т. II. Динамика. - 8-е изд., перераб. Гл. ред. физ.-мат. лит.-М.: Наука, 1991. — 640 с.

6. Гаранин Н. П., Брауде В. И., Артемьев П. П. Грузоподъёмные машины на речном транспорте: Учеб. для вузов. / Под ред. Н. П. Гаранина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1991. -319 с.

7. Александров М. П. Подъёмно-транспортные машины. — М.: Высшая школа, 1979. -558 с.

8. Брауде В. И. Вероятностные методы расчёта грузоподъёмных машин. -Л.: Машиностроение, 1978. -231 с.

9. Брауде В. И. Надёжность подъёмно-транспортных машин. — Л.: Машиностроение, 1986. - 183 с.

10. Гаранин Н. П. Эксплуатация плавучих кранов в речных портах. - М.: Транспорт, 1978 - 120 с.

11. Дукельский А. И. Портовые грузоподъёмные машины. - М.: Транспорт, 1970 - 439 с.

12. Рачков Е. В., Силиков Ю. В. Подъёмно-транспортные машины и механизмы. - М.: Транспорт, 1989. -327 с.

13. Справочник по кранам. Т. 1 Под ред. М. М. Гохберга. - JI.: Машиностроение, 1988. - 336 с.

14. Справочник по кранам. Т. 2 Под ред. М. М. Гохберга. - Л.: Машиностроение, 1988. - 599 с.

15. Стогов В. И., Плюхин Д. С., Ефимов Г. П. Погрузо-разгрузочные машины. -М.: Транспорт, 1977. -311 с.

16. Брауде В. И., Бровцинов Ю. А., Розовский Н. Я., Силиков Ю. В. Наладка и испытание портовых кранов. -М.: Транспорт, 1984. —110 с.

17. Гжиров Р. И. Краткий справочник конструктора. - Л.: Машиностроение, 1983. - 464 с.

18. Камнев Г. Ф., Кипарский Г. Р., Балин В. М. Подъёмно-транспортные машины и палубные механизмы.-Л.: Судостроение, 1976.-312с.

19. О концепции развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации. // Речной транспорт. ( XXI век ) № 2, 2004 - С. 24 - 26 .

20. Волков Е. А. Численные методы. -М.: Наука, 1987.-248 с.

21. Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы: Учебное пособие. -М.: Наука, 1987.— 600 с.

22. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъёмных кранов. Госгортехнадзор России. -М.: НПО ОБТ, 2001. -267 с.

23. Казаков А. П. Технология и организация перегрузочных работ на речном транспорт. -М.: Транспорт, 1984.-416 с.

24. Ерофеев Н. И., Гордеев Г. И. Комплексная механизация перегрузочных работ. — М.: Транспорт, 1977.-228 с.

25. Савин В. И. Математические методы оптимального планирования работы флота и портов.-М.: Транспорт, 1969.-168с.

26. Сиротский В. Ф. Эксплуатация портов.-М.: Транспорт, 1974.-312 с.

27. Страхов В. М., Протасов JI. П. Автоматизация и механизация перегрузочных работ.-М.: Транспорт, 1981.-221 с.

28. Суколенов А. Е., Артюхин Ю. Г. Подъёмно-транспортные машины и механизация перегрузочных работ.-М.: Транспорт, 1972.-312 с.

29. Шерле 3. П., Гнояной А. А. Организация и механизация перегрузочных работ в речных портах.-М.: Транспорт, 1976.-232 с.

30. Фролов А. С., Кузьмин П. В., Степанец А. В. Организация, планирование и технология перегрузочных работ в морских портах. — М.: Транспорт, 1979. -408 с.

31. Лихачёв А. В. Современное состояние навигационных тренажёров. // Судостроение за рубежом. -1981. №2. - С. 43-57.

32. Зеленин В. М. Электронные тренажёры. -М.: Знание, 1986. —64 с.

33. Кобзев В. В. «Интеллектуальный» тренажёр на борту судна. // Судостроение. - 1994 № 4. - С. 23-24.

34. Тер-Мхитаров М. С. История развития электронных тренажёров операторов грузоподъёмных машин. Областной научно - технический семинар «Тренажёры и тренажёрные комплексы». Тезисы докладов.- Пермь: Пермский политехнический институт. 1990. -С. 5-8.

35. Колодный И. Д. Экономическая и социальная эффективность тренажёров. Областной научно — технический семинар «Тренажёры и тренажёрные комплексы». Тезисы докладов.

36. Пермь: Пермский политехнический институт. 1990. -С. 8—12.

37. Шарыбин И. Д., Жилин В. А. Микропроцессорный тренажёр крановщика портального крана. Областной научно - технический семинар «Тренажёры и тренажёрные комплексы». Тезисы докладов.

38. Пермь: Пермский политехнический институт. 1990. -С. 12-18.

39. Ощепков А. И., Шаповалов А. Я. Опыт внедрения и эксплуатации электронных тренажёров. Областной научно — технический семинар «Тренажёры и тренажёрные комплексы». Тезисы докладов.

40. Пермь: Пермский политехнический институт. 1990. —С. 32 — 34.

41. Жилин В. А., Колодный И. Д., Тер-Мхитаров М. С. Перспективы развития тренажёров. Областной научно — технический семинар «Тренажёры и тренажёрные комплексы». Тезисы докладов. Пермь: Пермский политехнический институт. 1990. -С. 36-38.

42. Пантелеев А. В., Якимова А. С., Босов А. В. Обыкновенные дифференциальные уравнения в приложениях к анализу динамических систем. — М.: Издательство МАИ, 1997.- 188 с.

43. Зарубин В. С. Математическое моделирование в технике. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. —496с.

44. Тарасик В. П. Математическое моделирование технических систем. Минск: ДизайнПРО, - 1997. 640 с.

45. Трудоношин В. А., Пивоварова Н. В. Математические модели технических объектов. // Системы автоматизированного проектирования. / Под ред. И. П. Норенкова. Кн. 4.-М.: Высшая школа, 1986.- 160 с.

46. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.-М.: Наука, 1986.-544 с.

47. Воднев В. Т., Наумович А. Ф., Наумович Н. Ф. Математический словарь высшей школы. / Под. ред. Ю. С. Богданова. Минск: Вышэйш. шк., 1984.-528 с.

48. Краснощёкое П. С., Петров А. А. Принципы построения моделей. -М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1983.-264 с.

49. Мышкис А. Д. Элементы теории математических моделей. — М.: Наука, 1994.-192 с.

50. Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование. -М.: Наука, 1997.-320 с.

51. Хемминг Р. В. Численные методы для научных работников и инженеров. / Пер. с англ. под ред. Р. С. Гутера.-М.: Наука, 1972.-400 с.

52. Оператор // Новый энциклопедический словарь. - М.: Науч. изд. «Большая российская энциклопедия», 2004. - С. 846.

53. Визуализация// Новый энциклопедический словарь. -М.: Науч. изд. «Большая российская энциклопедия», 2004. - С. 188.

54. Интерфейс // Новый энциклопедический словарь. - М.: Науч. изд. «Большая российская энциклопедия», 2004. - С. 437.

55. Бичаев Б. П., Зеленин В. М., Новик JI. И. Морские тренажёры. Структуры, модели, обучение.-JI.: Судостроение, 1986.-284 с.

56. Тренажёры и их использование в процессе производственного обучения. Сборник статей. -М.: Высшая школа, 1972.-46 с.

57. Детлаф А. А., Яворский Б. М., Курс физики. - М.: Высшая школа, !989. -608 с.

58. Шукшунов В. Е., Бакулов Ю. А., Григоренко В. Н. И др. Тренажёрные системы.-М.: Машиностроение, 1981.-254 с.

59. Ралль В. Ю., Макарьев О. JL, Поляков. Тренажёры и имитаторы ВМФ. -М.: Воениздат, 1969.-215 с.

60. Сайт Донского филиала Центра тренажеростроения в интернете: http://www.dfct.ru/tren/electr.shtml

61. Сайт Пермского политехнического института в интернете: http://vtau.pstu.ac.ru/vtau-1983/15.htm