Расчет параметров STS
Введение
С момента внедрения контейнерных перевозок было разработано большое количество специализированныз контейнерных перегружателей типа Ship-To-Shore (STS). Однако, стандарты разработаны только на некоторые их элементы. Это объясняется главным образом тем, что каждый порт уникален с точки зрения размеров обслуживаемых судов, ветровых, волновых и грунтовых условий, а также технологий обработки контейнеров. В связи с этим, ключевые параметры кранов необходимо рассчитывать индивидуально для каждого проекта. Для решения этой задачи проектировщик должен иметь информацию о:
- ключевые параметры, определяющие размеры STS;
- варианты конфигурации STS;
- основные математические зависимости, определяющие ключевые размеры крана.
Данная статья посвящена математическим зависимостям, определяющим размеры STS-крана. Результаты данной статьи объединены в специализированное программное обеспечение, которое может использоваться для составления технических заданий. Программное обеспечение позволяет рассчитывать ключевые параметры STS-крана, создавать технические чертежи и разрабатывать базовые технические задания.
Ключевые измерения
Ключевые параметры STS определяются технологическими операциями, выполняемыми краном. Поскольку STS перемещает контейнеры с судов на транспортное оборудование контейнерного терминала, ему необходимы определенные вылет стрелы и высота подъема, позволяющие перемещать контейнеры с судна на судно или на него, а также портал для обеспечения доступа к транспортному оборудованию терминала. На большинстве судов контейнеры хранятся над и под крышками люков. Для работы с контейнерами, перевозимыми внутри трюмов, STS должен иметь опреленнный вылет тыловой стрелы для снятия крышек люков и размещения их на терминале. Для обеспечения безопасной швартовки STS должен иметь возможность поднять стрелу и освободит пространство для безопасной швартовки судна. Следовательно, еще одни параметро STS является максимальная высота. Максимальная высота также важна для доставки STS, поскольку иногда краны необходимо транспортировать под мостами.
Указанные характеристики представлены на рис.1.
Рисунок 1. Ключевые параметры STS
Ключевые параметры
Описанные характеристиками определяются несколькими значениями.
Габариты судов.Основной исходной информацией для определения габаритов STS являются характеристики судов: в частности, их ширина, глубина, количество ярусов контейнеров в трюмах, количество ярусов контейнеров на главной палубе, количество рядов контейнеров (рис.2).
Рисунок 2. Характеристики судна для расчета размеров STS.
Контейнеровозы классифицируются по их вместимости в TEU, которая определяет их габариты. Наиболее популярная классификация, предложенная JP Rodriguez и T. Notteboom, представлена на рис.3.
Рисунок 3. Классификация контейнеровозов [1].
Несколько публикаций посвящены оценке размеров судов по их дедвейту. В частности, в этих публикациях используется регрессионный анализ для оценки размерений судов [2]. Подобные оценки могут быть использованы для определения характеристик судов при расчете габаритов STS.
Уровень причала.Поскольку STS используется для выгрузки контейнеров с нижней палубы судна, расчет высоты подъема должен учитывать не только глубину судна, но и уровень причала. Уровень причала определяется волновыми условиями региона. Расчет уровня причала направлен на минимизацию количества случаев, когда волны достигают поверхности контейнерного терминала. Методы расчета уровня причала можно найти во многих публикациях, в том числе [3–4].
Ширина отбойного устройства.Вылет стрелы STS определяется не только габаритами самого судна, но и габаритами элементов инфраструктуры, размещенных на причале. Одним из таких элементов является отбойное устройство, используемое для защиты причала от ударов судна во время швартовных работ. Ширина отбойного устройства может достигать 2,0–2,5м. Поэтому при расчете вылета стрелы STS следует учитывать это значение. Пример отбойного устройства контейнерного терминала представлен на рис.4.
Рисунок 4. Пример отбойного устройства.
Методы расчета отбойных устройств рассматриваются в [5].
Расстояние от причальной линии до рельсов. Еще одним важным параметром является расстояние между рельсами STS и причальной линией, которое определяется технологическими требованиями и расположением таких элементов инфраструктуры, как швартовочные устройства, кабельный канал, колодцы водоснабжения и электроснабжения. Технологические требования могут включать проход для персонала терминала, дорогу и парковку для вспомогательного транспорта. Некоторые терминалы предпочитают оставлять это пространство для хранения контейнеров, другие — для обеспечения большего пространства для швартовочных бригад. Примеры различных расстояний от причальной линии до рельсов STS представлены на рис.5.
|
|
| Антверпен | Дубай |
В настоящее время отсутствуют публикации, посвященные этому вопросу и рассматривающие сочетание различных инженерных решений.
Количество кранов.Портал крана традиционно используется для обработки терминального транспорта. Количество путей для терминальной транспортировки внутри кранового портала определяется количеством кранов на причалах: для каждого крана должен быть отдельный проезд, чтобы очереди терминального транспорта располагались на дороге под краном, который будет устанавливать контейнер, но не мешали проезду терминального транспорта, направляющегося к другим кранам.
Международная организация труда (ILO) также предлагает установить защищенное рабочее место для терминальных работников внутри пролета крана [6]. Это рабочее место используется работниками для крепления и раскрепления контейнеров (рис.6–7).
Рисунок 6. Расположение рабочих мест докеров в пределах пролета портального крана
Рисунок 7. Общий вид защищенного рабочего места
Хотя эта технология безопаснее, некоторые терминалы сохраняют старый способ работы: сотрудники могут свободно передвигаться по этой зоне во время работы.
Описанное рабочее место — не единственное возможное решение, поскольку система STS с двумя тележками обеспечивает платформу на кране для операций по креплению и откреплению грузов.
Распределение контейнеров по типам. Большинство контейнеров устанавливаются на судно в одном направлении относительно его движения, но есть и такие, которые размещаются в противоположном. В частности, сухие контейнеры загружаются с дверями, обращенными к корме, а рефрижераторные контейнеры — с дверьми, обращенными к носу (рис.8–9).
Рисунок 8. Направление сухого контейнера.
Рисунок 9. Направление рефрижераторных контейнеров.
Ограниченное пространство в зоне причала может привести к дополнительным пересечениям транспортных потоков в разных направлениях. Для упрощения операций по обработке контейнеров некоторые терминалы предпочитают обеспечивать реверсивные проезды за тыловой опорой крана (рис.10).
Рисунок 10. Реверсивный проезд для терминального транспорта
Описанные параметры используются в качестве исходных данных для программного обеспечения, используемого для расчета габаритов STS.
Конфигурация STS
Конфигурация STS включает в себя ряд технических решений, которые влияют на габариты STS.
Конфигурация стрелы.Традиционная конфигурация крана STS позволяет поднимать стрелу для освобождения акватории терминала и обеспечения безопасной швартовки судов (рис.11).
Рисунок 11. Парковочное положение традиционной конфигурации STS.
Общая высота STS может влиять на архитектурные правила городов или правила гражданской авиации: в некоторых городах ограничивается максимальная высота зданий и сооружений в определенных районах, чтобы сохранить архитектурную привлекательность; в других районах ограничивается высота зданий и сооружений, если поблизости расположен аэропорт. Поэтому несколько производителей выпускают STS с шарнирно-сочлененной стрелой и низким профилем (рис.12–13).
Рисунок 12. Традиционная конфигурация STS с шарнирно-сочлененной стрелой.
Рисунок 13. Низкопрофильный STS.
Количество тележек. Традиционная конфигурация STS имеет только одну тележку, которая используется для выполнения операций по обработке контейнеров. Некоторые порты, стремясь повысить производительность операций по обработке контейнеров, используют STS с двумя тележками: одна используется для перегрузки контейнеров с судна на перегрузочную платформу, другая — с платформы на терминальное транспортное оборудование (рис.14).
Рисунок 14. STS с двумя тележками.
Такая конфигурация предполагает хранение крышек люков внутри пролета крана. Следовательно, вылет тыловой стрелы определяется количеством причалов и кранов. Колея крана должна быть достаточной для установки крышек люков и выполнения вспомогательных операций.
Тип спредера. Традиционные STS используют спредеры, способные перемещать только один контейнер за один подъем (single-lift). Однако всё больше терминалов внедряют спредеры, способные перемещать одновременно два двадцатифутовых контейнера (twin-lift), и тандемные спредеры, которые могут перемещать до четырёх контейнеров за один подъем. Каждый спредер имеет свои габариты, которые могут влиять на общую высоту STS. В табл.1 представлена основная информация о различных типах спредеров.
Таблица 1.Данные по контейнерному спредеру STS.
| № | Тип спредера | Общий вид | Максимальное количество контейнеров, TEU/подъём |
|---|---|---|---|
| 1 | Single lift |  |
1 |
| 2 | Double lift |  |
2 |
| 3 | Tandem lift |  |
4 |
Хранение крышек люков. Для снятия крышек люков с судов и их временного размещения на терминальной площадке терминала используется тыловая стрела STS (рис.15).
Рисунок 15. Крышки люков за STS.
Поскольку зона для хранения люковых крышек технологически необходима, но используется только для кратковременного хранения, некоторые производители предлагают использовать STS с платформой для люковых крышек (рис.16–17).
Рисунок 16. STS с платформой для люковых крышек [7].
Рисунок 17. STS с платформой для люковых крышек.
Портал. Ширина портала определяется требованиями к его стабильности, а также количество технологических проездов. В свою очередь, количество технологических проездов должно быть не менее количества кранов на причале. В большинстве случаев высота портала STS определяется высотой транспортного оборудования терминала, которое он должен обрабатывать. Различные типы транспортного оборудования терминала представлены в табл.2.
Таблица 2. Транспортное оборудование контейнерных терминалов.
| # | Терминальное оборудование | Длина, м | Ширина, м | Высота, м |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Терминальный тягач и прицеп | 17–18 | 2,7 | 3,8–4,3 |
| 2 | Автоматизированное транспортное средство | 15 | 2,7 | 4,0–4,5 |
| 3 | Автоконтейнеровоз | 10,3 | 4,87 | 10–13 |
Минимальный зазор между транспортным оборудованием и краном STS не определен единым стандартом или нормой, но должен быть не менее 0,4–0,7м.
В то же время, на некоторых терминалах краны STS не только обеспечивают операции по обработке контейнеров, но и используются в качестве оборудования контейнерной площадки (рис.18).
Рисунок 18. STS как оборудование контейнерной площадки.
Следовательно, портал может быть значительно выше и шире.
Математические зависимости
Описанные параметры и конфигурации STS позволяют сформулировать ключевые математические зависимости.
Вылет стрелы.Вылет стрелы STS определяется зависимостью:
L = Wship − Wcont/2 + Wfender + Lrail
где \( W_{ship} \)— ширина судна, м;\( W_{cont} \) — ширина контейнера, м; \( W_{fender} \) — ширина отбойного устройства, м; \( L_{rail} \) — расстояние между причальной линией и рельсом STS, м.
Колея крана.Колея крана STS определяется общей устойчивостью крана, но не должна быть меньше требуемого количества терминальных проездов. Минимальная колея крана определяется следующим образом:
где \( n \) — количество кранов на причале;\( W_{road} \) — ширина терминального проезда, м; \( W_{work} \) — ширина рабочего места сотрудников, м.
В отрасли существует несколько «стандартных» или типовых размеров. Однако для каждого проезда колея крана может быть выбрана индивидуально.
Вылет тыловой стрелы. Вылет тыловой стрелы определяется как:
где \( W_{hatch} \) — ширина зоны хранения крышки люка, м; \( W_{back\_road} \) — ширина подъездной дороги за краном, м.
Большинство люковых крышек имеет ширину 12–15 метров [8].
Высота подъема. Расчеты высоты подъема учитывают приливы, отливы и высоту судна:
где \( P_{high_tide} \) — уровень прилива, м; \( S_{freeboard} \) — надводный борт корабля, м; \( S_{conts} \) — количество контейнеров на главной палубе; \( P_{low_tide} \) — уровень отлива, м; \( S_{depth} \) — глубина судна, м; \( S_{move} \) — расстояние перемещения судна под воздействием волн, м.
Высота портала. Высота портала определяется соотношением:
где \( H_{equip} \) — высота терминального транспортного оборудования, м; \( h \) — безопасное расстояние между транспортным оборудованием и STS, м.
Общая высота. На ранних этапах проектирования STS этот параметр можно оценить лишь приблизительно. Для обычного STS общая высота оценивается как вылет стрелы, повернутой на 70–80°:
где \( H_{boom} \) — высота стрелы, м; \( α \) — угол наклона стрелы в сложенном состоянии, °.
Примечание: формула верна для локальных координат.
Следовательно, общая высота STS:
\(H_{sts} = H_{beam} + H - (P_{low} + H_{quay})\)
где \( H_{quay} \) — высота причала, м.
Программный инструмент для расчета параметров STS
Описанные параметры и соотношения используются в качестве входных данных для разработанного программного обеспечения для расчета размеров STS. Главная цель программного обеспечения — создание комплексного технического задания, которое улучшит взаимодействие между оператором порта и производителем оборудования. Хотя производители предлагают различные виды контрактов, для оператора порта важно понимать вопросы, которые могут возникнуть в процессе приобретения STS.
Главный экран программного обеспечения представлен на рис.19.
Рисунок 19. Главный экран.
На экране отображается:
- исходные данные, необходимые для расчета размеров STS (рис.20);
Рисунок 20. Входные данные.
- результаты расчетов (рис.21);
Рисунок 21. Результаты расчетов.
- технологическая схема STS со всеми размерами (рис.23).
Рисунок 22. Технологическая схема.
Результаты расчетов можно экспортировать в электронную таблицу с расчетами и схемой, а также в техническое задание (рис.24).
Рисунок 23. Электронная таблица с результатами расчетов.
Кроме того, результаты можно экспортировать в формат, подходящий для САПР (в частности, DXF), что позволяет использовать их в технических чертежах контейнерных терминалов.
Список источников
- Jean-Paul Rodrigue. The Geography of Transport Systems - 2024, New York: Routledge, 402 p. URL: https://transportgeography.org/contents/chapter5/maritime-transportation/evolution-containerships-classes/
- PIANC. MarCom WG 235. Ship Dimensions and Data for Design of Marine Infrastructure, 55 p.
- Carl A. Thoresen. Port Designer’s Handbook. – 2014, 607 p.
- G. P. Tsinker. Port Engineering. - 2004, 881 p.
- PIANC. MarCom WG 211. Fender Guidelines. – 2024, 219 p.
- ILO. Safety and health in ports. – 2005, 527 p. URL: https://www.imo.org/en/ourwork/facilitation/pages/ilocode-default.aspx
- Hatch Cover Support Platform. URL: https://www.gbportinnovations.com
- PIANC. MarCom WG 135. Design Principles for Small and Medium Marine Container Terminals. – 2014, 135 p.