ZESZYTY NAUKOWE SCIENTIFIC JOURNALS. Akademia Morska w Szczecinie. Maritime University of Szczecin

Transkrypt

1 Wydawnictwo Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie ZESZYTY NAUKOWE Akademia Morska w Szczecinie SCIENTIFIC JOURNALS Maritime University of Szczecin Szczecin 2009

2 Redaktor Naczelny dr hab. inż. Zbigniew Matuszak, prof. AM Komitet Naukowy dr hab. inż. Andrzej Adamkiewicz, prof. AM Szczecin prof. dr hab. Zofia Cichoo, Uniwersytet Ekonomiczny w Krakowie dr hab. inż. Andrzej Grządziela, prof. AMW Gdynia dr hab. inż. Zofia Jóźwiak, prof. AM Szczecin dr hab. inż. Piotr Krzyślak, prof. Politechniki Poznaoskiej dr hab. inż. Ruta Leśmian-Kordas, prof. AM Szczecin dr hab. inż. Jacek Łuczak, Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu dr hab. inż. Zbigniew Matuszak, prof. AM Szczecin prof. dr hab. inż. Jan Purczyoski, ZUT Szczecin prof. dr hab. Cezariusz Skuza, Uniwersytet Szczecioski prof. dr hab. inż. Wawrzyniec Wawrzyniak, ZUT Szczecin Copyright by Akademia Morska, Szczecin 2009 Pod patronatem Baltic Association of Mechanical Engineering, Kaliningrad, Rosja

3 SPIS TREŚCI 1. ABRAMEK KAROL FRANCISZEK Ocena zjawiska przedmuchów gazów w tłokowych silnikach spalinowych w fazie rozruchu... 5 Phenomenon of blowby in combustion engines for start-up stage 2. BIAŁY WITOLD, BOBKOWSKI GRZEGORZ Komputerowe systemy CMMs wspomagające eksploatacje maszyn i urządzeń górniczych Computer maintenance managing systems (CMMs) in mining machinery and equipment exploitation 3. CHYBOWSKI LESZEK, MATUSZAK ZBIGNIEW Remarks on human reliability with reference to marine power plant operation Analiza niezawodności człowieka w kontekście pracy w siłowniach okrętowych 4. CIECHANOWSKI GRZEGORZ Nieznana historia oznak Marynarki Wojennej Unknown history of Polish Navy patches 5. DRZEWIENIECKA BEATA Genetically modified soya ground grain in feed production Rola genetycznie modyfikowanej śruty sojowej w produkcji pasz 6. ГЕРМАН-ГАЛКИН СЕРГЕЙ, ГРИНКЕВИЧ ЯРОСЛАВ Мехатронная система с магнитокоммутационной машиной System mechatroniczny silników wielotarczowych z komutacją magnetyczną Mechatronic system with multi-layer disc electric motor with magnetic flux commutation 7. GRĄDZKA-DAHLKE MAŁGORZATA Właściwości eksploatacyjne nowych panewek endoprotezy stawu biodrowego Exploatative properties of a new cup of hip joint endoprosthese 8. GRZĄDZIELA ANDRZEJ Analiza dynamiki układów wirnikowych silników turbinowych z wykorzystaniem śledzenia rzędów Analysis of dynamics gas turbines rotor systems using Order Tracking procedure 9. JÓŹWIAK ZOFIA Ecological risk assessment for ballast waters introductions into the Police harbour basins Ocena zagrożenia ekologicznego środowiska wodami balastowymi wprowadzanymi do basenów Portu Police 10. ŁUCZAK JACEK Metody szacowania ryzyka kluczowy element systemu zarządzania bezpieczeństwem informacji ISO/IEC Risk assesment methods ISO/IEC information security management system s key element 11. MATUSZAK-FLEJSZMAN ALINA Wpływ uczestnictwa organizacji w programach lub systemach środowiskowych na doskonalenie systemu zarządzania środowiskowego zgodnego z wymaganiami normy ISO Influence of participation organizations in environmental programmes or systems on improvement of environmental management system according to ISO NIEWCZAS ANDRZEJ, RYMARZ JOANNA Społeczna ocena bezpieczeństwa ruchu i zagrożeń środowiska związanych z rozwojem transportu na przykładzie regionu Polski Wschodniej oraz obszaru wielkomiejskiego Rygi Social opinion on traffic safety and environment menace related with transport development on example of East Poland region and Riga City

4 13. PLESZKO JOANNA Selected aspects of ensuring supply chain safety in seaports Wybrane aspekty zapewnienia bezpieczeństwa łańcucha dostaw w portach morskich 14. ROSOCHACKI WŁODZIMIERZ Podstawy budowy modelu niezawodnościowego elementów nośnych konstrukcji oceanotechnicznych Basis of reliability model for offshore structures bearings 15. SZCZEPANEK MARCIN Wymagania prawa polskiego dotyczące ograniczenia emisji związków toksycznych do atmosfery Requirements of Polish law referring to the limitation of the toxic emission into the atmosphere

5 Scientific Journals Maritime University of Szczecin Zeszyty Naukowe Akademia Morska w Szczecinie 2009, 19(91) pp , 19(91) s. 5 9 Ocena zjawiska przedmuchów gazów w tłokowych silnikach spalinowych w fazie rozruchu Phenomenon of blowby in combustion engines for start-up stage Karol Franciszek Abramek Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych Szczecin, al. Piastów 19, karol.abramek@zut.edu.pl Słowa kluczowe: rozruch, krzywa przedmuchów, skrzynia korbowa Abstrakt W artykule przedstawiono wyniki badań przedmuchów dla prędkości rozruchu. Prędkość silnika SB-3.1 ustalana była za pomocą zewnętrznego urządzenia napędowego, w skład którego wszedł silnik trójfazowy, skrzynia biegów, sprzęgło jednokierunkowe i pulpit sterowniczy. Uzyskane wyniki badań pozwoliły ocenić charakter zmian przebiegu krzywej przedmuchów od zerowej w zasadzie prędkości do prędkości obrotowej wału korbowego silnika, przy której następuje rozruch. Pomiary przedmuchów wykonano w różnych seriach pomiarowych, w celu ustalenia wpływu powstawania filmu olejowego na gładzi cylindra na zjawisko przedmuchów gazów do skrzyni korbowej. Key words: start-up, blowby curve, crankcase Abstract In the paper are presented the results of exhaust gas scavenging testing for the start-up speed. The speed of SB-3.1 engine was determined by means of external driving device composed of a three-phase motor, gearbox, unidirectional clutch and control desk. The obtained findings allowed evaluation of the character of changes in the course of exhaust gas scavenging curve from a basically zero speed to the rotational speed of engine crankshaft at which the start-up takes place. Exhaust gas scavenging measurements were made in different measuring series in order to determine the effect of oil film development on cylinder bearing surface on the phenomenon of exhaust gas scavenging into crankshaft casing. Wstęp Jeden z podstawowych i najważniejszych układów silnika spalinowego stanowi tłok z pierścieniami i cylinder. Warunki, w jakich pracuje ten układ, w szczególności znaczna prędkość ruchu posuwisto-zwrotnego, duża różnica temperatur między tłokiem i cylindrem, wykluczają takie wykonanie i pasowanie tłoka w cylindrze, które zapewniałoby idealną szczelność. Stąd, mimo najlepszego wykonania układu TPC (tłok, pierścienie, cylinder), występują zawsze straty czynnika roboczego, które wpływają ujemnie na wskaźniki pracy silnika, a w szczególności powodują: spadek mocy, wzrost zużycia paliwa, przegrzanie tłoka i pierścieni, zwiększone zużycie cylindra i pierścieni, łatwość rozruchu, skażenie środowiska produktami spalania [1, 2, 3]. Przedmuchiwane do skrzyni korbowej gazy powodują zanieczyszczenie oleju smarującego, pogarszając jego właściwości smarne, co ujemnie wpływa na trwałość silnika lub na konieczność częstszych wymian oleju [4]. W Katedrze Eksploatacji Pojazdów Samochodowych Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie wykonano stanowisko do badań przedmuchów gazów do skrzyni korbowej silnika. Dokładny opis stanowiska można znaleźć w literaturze [5]. Zeszyty Naukowe 19(91) 5

6 b k Karol Franciszek Abramek Warunki pracy zespołu pierścieniowego Na rysunku 1 pokazano rozkład sił i momentów działających na tłok i pierścień prawidłowo osadzony w rowku, opracowany przez Dowsona [6] oraz Smoczyńskiego i Sygniewicza [7]. p 1 p 1 b p 1 (a-f) P s M g p 1 a Rys. 1. Siły działające na pierścień tłokowy [7] Fig. 1. Forces impacting piston ring [7] F p a R p Na prawidłowo osadzony w rowku pierścień działają, w uproszczeniu, następujące siły: W kierunku osiowym: 1. Na górną powierzchnię pierścienia działa ciśnienie czynnika roboczego p 1, znajdującego się nad nim (w przypadku pierścienia pierwszego często przyjmuje się, że jest to ciśnienie panujące w komorze spalania). Jeżeli silnik o ZI (zapłonie iskrowym) pracuje przy przymkniętej przepustnicy, to przy ssaniu panuje znaczne podciśnienie, które stara się oderwać pierścień od dna rowka i unieść w górę. 2. Na powierzchnię dolną, która wystaje poza rowek tłokowy, działa ciśnienie p 2 z przestrzeni międzypierścieniowej (poniżej pierścienia). Siła wywołana tym ciśnieniem jest zwrócona do góry, usiłując podnieść pierścień z flanki rowka. 3. Siła tarcia F p działająca na powierzchni roboczej pierścienia stykającej się z cylindrem i skierowana zawsze przeciwnie do chwilowego kierunku ruchu tłoka. Powoduje ona cykliczne unoszenie i dociskanie pierścienia do dolnej flanki rowka. Na siłę tę ma wpływ sprężystość własna pierścienia i docisk gazów. 4. Siła bezwładności. Jej kierunek jest zawsze przeciwny do przyspieszenia tłoka, dlatego przy zbliżaniu i oddalaniu się od GMP siła ta usiłuje oderwać pierścień od dolnej ścianki rowka, natomiast przy zbliżaniu i oddalaniu się od DMP p 1 k f p 1 P z z P x F h p 2 f p 2 l p 2 x xc U l xcp dociska go do niej. Siły te osiągają maksymalne wartości przy zwrotnych położeniach tłoka. 5. Siła wywołana ciśnieniem oleju. Powstaje przy odpowiedniej prędkości względnej tłoka i cylindra oraz obecności warstewki oleju. Tworzący się wówczas klin smarny przeciwdziała dociśnięciu pierścienia do cylindra. Pierścień pracuje wówczas w warunkach tarcia płynnego (hydrodynamicznego), dzięki czemu zmniejsza się wielokrotnie intensywność zużywania się jego powierzchni czołowej. W kierunku promieniowym: 1. Siła wynikająca ze sprężystości własnej pierścienia lub elementu wspomagającego, dociskającego do gładzi cylindrowej. Zależy ona od konstrukcji pierścienia, a szczególnie od jego grubości promieniowej i modułu sprężystości. 2. Siły gazowe, działające za pierścieniem stanowią główną część sił dociskających i uszczelniających złożenie TPC. Siły działające na powierzchnię roboczą uzależnione od ciśnień p 1 do p 2, o średniej wartości (p 1 + p 2 )/2, usiłują odepchnąć pierścień od gładzi cylindra. Należy zaznaczyć, że taki rozkład sił i ich wartość średnia jest do przyjęcia przy zarysie prostokątnym i idealnym przyleganiu do cylindra. Dla pierścieni o zarysie stożkowym (tzw. minutowym ) lub baryłkowym, nie będzie spadku ciśnienia wzdłuż tworzącej, a zatem taki pierścień może być odciążony promieniowo. 3. Siły tarcia. Na bocznej powierzchni pierścienia i rowka tłokowego działają przy przemieszczeniach promieniowych pierścienia i mogą być spowodowane przechylaniem się tłoka w cylindrze w czasie zmiany kierunku ruchu oraz przy deformacjach cylindra. Siły te w zależności od położenia tłoka, dociskają lub odrywają pierścień od gładzi. 4. Ciśnienie dynamiczne spiętrzonego oleju największe przy dolnej krawędzi pierścienia i malejące wzdłuż wysokości do zera, przy górnej krawędzi. Punkt podparcia pierścienia jest trudny do zlokalizowania, może to być powierzchnia rowka tłokowego zdeformowana w wyniku obciążeń cieplnych i mechanicznych lub krawędź rowka, jeżeli tłok jest przechylony w cylindrze [2, 8, 9]. Równowaga sił osiowych i momentów względem środka ciężkości przekroju pierścienia może być zapisana następująco: równanie sił w kierunku promieniowym: p d m p z s (1) 2 dt b k p l F P P M 0 6 Scientific Journals 19(91)

7 Ocena zjawiska przedmuchów gazów w tłokowych silnikach spalinowych w fazie rozruchu równanie sił w kierunku osiowym: d x Rp Fp Ps p1 p2 f Mg M 0 (2) 2 dt równanie momentów: f 2x b l p1 p2 f z p2 l 2 2 2x b k 2x b p1 k Fp 2 2 F z P h z x x P z R z f 2 cp d K I 2 dt gdzie: a szerokość promieniowa pierścienia, b wysokość pierścienia, f odległość punktu podparcia od czoła pierścienia, k wysokość części roboczej górnej obciążonej ciśnieniem p 1, l wysokość części roboczej dolnej obciążonej ciśnieniem p 2, p 1 ciśnienie ponad pierścieniem, p 2 ciśnienie pod pierścieniem, x, z współrzędne środka masy pierścienia, x cp przesunięcie osiowe siły p z, F h hydrodynamiczna siła styczna, F p siła tarcia pierścienia o rowek tłoka, I moment bezwładności pierścienia, K sztywność skrętna pierścienia, M masa pierścienia, P s siła sprężystości, P z hydrodynamiczna siła normalna, R p reakcja rowka na pierścień, kąt skręcenia pierścienia. x p 2 (3) Pierścienie muszą być osadzone w tłoku z pewnym luzem ze względu na działanie temperatury czynnika roboczego oraz działania wszystkich sił przedstawionych na rysunku 1. W wyniku działania tych czynników i posuwisto-zwrotnego ruchu tłoka pierścienie zmieniają swoje położenie wykonując pewne wymuszone ruchy [2, 10, 11, 12]. Także tłok wykonuje wymuszone ruchy, przy zmianie kierunku ruchu obraca się dookoła sworznia i przyjmuje skośne położenie względem osi cylindra. Wszystkie te czynniki powodują zmiany położenia pierścieni zarówno względem tłoka, jak i cylindra. W niektórych sytuacjach (szczególnie przy pewnej prędkości obrotowej oraz obciążeniu silnika) pierścień może wpaść w drgania wymuszone, samowzbudne, co wpłynie na pogorszenie lub zupełną utratę szczelności. Występuje wtedy zjawisko trzepotania pierścieni. Obserwując charakterystykę przedmuchów, można zauważyć, że dla pewnej prędkości obrotowej lub w pewnym zakresie prędkości obrotowej występuje gwałtowny wzrost przedmuchów. Na zjawisko to można wpływać stosując różne odmiany pierścieni uszczelniających [13]. Wyniki badań Na rysunku 2 przedstawiono charakterystykę przedmuchów gazów do skrzyni korbowej silnika SB-3.1 dla prędkości poniżej biegu jałowego, tj. od 5 min 1 do 170 min 1, po wstępnym kręceniu silnikiem, by wyeliminować wpływ braku i wstępnego powstawania filmu olejowego na wielkość przedmuchów [1, 8]. Do prędkości obrotowej około 42 min 1 występuje wzrost natężenia przedmuchów, następnie do prędkości około 168 min 1 ilość traconego ładunku w postaci przedmuchów do skrzyni korbowej maleje. Od 168 min 1 natężenie przedmuchiwanych gazów znowu rośnie. Spowodowane jest to prawdopodobnie powstawaniem pierwszych samozapłonów, które powodują wzrost ciśnienia sprężania w komorze i jednocześnie wzrost ilości przedmuchiwanych gazów Q [m 3 /s] n [min 1 ] Rys. 2. Charakterystyka przedmuchów gazów do skrzyni korbowej silnika SB-3.1 dla prędkości poniżej biegu jałowego [14] Fig. 2. Blowby to engine SB-3.1 crankcase for speed below idle running [14] Na rysunku 3 przedstawiono wyniki badań przedmuchów dla prędkości poniżej biegu jałowego wykonane w trzech seriach pomiarowych. Dla silnika zimnego (temperatura oleju smarującego 288 K), który nie pracował przez okres jednego tygodnia, przedmuchy w pierwszym okresie rozruchu są największe i wynoszą 7,910 5 m 3 /s. Spowo- Zeszyty Naukowe 19(91) 7

8 Karol Franciszek Abramek dowane jest to brakiem oleju smarującego i bardzo słabym uszczelnieniem węzła tłok pierścienie cylinder (TPC) ze względu na występujące konieczne luzy. W celu porównania sporządzono charakterystykę dla silnika zimnego, który wstępnie był kręcony przez napęd od silnika trójfazowego. Spowodowało to dopływ oleju do pierścieni i lepsze doszczelnienie całego układu tłoka z pierścieniami oraz cylindra. Zaistniałą sytuację obrazuje niższa wartość natężenia przedmuchów w pierwszym okresie rozruchu. Natomiast silnik po wstępnej pracy wykazuje większe przedmuchy niż silnik zimny. Prawdopodobnie spowodowane jest to zmianą lepkości oleju smarującego [4, 14]. Q [m 3 /s] Rys. 3. Wpływ wcześniejszej pracy silnika SB-3.1 na charakterystykę przedmuchów dla prędkości poniżej biegu jałowego [15] Fig. 3. Blowby to engine SB-3.1 for speed below idle running for different engine states [15] Podsumowanie zimy rozruch po wstępnym kręceniu zimny rozruch ciepły rozruch n [min 1 ] Analizując otrzymane wyniki pomiarów i sporządzoną charakterystykę przedmuchów dla zakresu prędkości wału korbowego silnika, przy której rozrusznik zaczyna pierwszy etap rozruchu, można stwierdzić, że początkowe dostarczenie oleju na gładź cylindra poprzez wstępny ruch wału korbowego silnika spowodowało znaczne doszczelnienie przestrzeni roboczej, a przez to mniejsze natężenie przedmuchów gazów do skrzyni korbowej silnika SB-3.1. Ogólnie charakterystyka przedmuchów wygląda następująco: w pierwszym etapie zachodzi znaczny wzrost prędkości obrotowej wału korbowego silnika do ok. 42 min 1, następnie natężenie przedmuchów maleje do prędkości ok. 150 min 1. Powyżej tej prędkości zjawisko przedmuchów znów ma charakter wzrostowy. Spowodowane jest to występowaniem pierwszych zapłonów, które w znacznym stopniu podwyższają ciśnienie nad tłokiem i powodują gwałtowny wzrost przedmuchów. Dla silnika SB-3.1 prędkość obrotowa wału korbowego poniżej 150 min 1 jest wartością przełomową, w której silnik nie daje się już uruchomić. Można stwierdzić, że zapewnienie odpowiednio wysokiej prędkości obrotowej podczas rozruchu silnika, a szczególnie w niskich temperaturach otoczenia, jest konieczne dla prawidłowego procesu rozruchu [3, 6]. Proces rozruchu można wspomóc np. poprzez wcześniejsze uruchomienie układu smarowania silnika lub wstępne, nawet powolne, kręcenie wałem korbowym silnika. Bibliografia 1. ABRAMEK K. F.: An attempt at an analytical description of blowby intensity to a crankcase. Teka Komisji Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa Polskiej Akademii Nauk Oddział w Lublinie, Vol. VII, Lublin KOZACZEWSKI W.: Konstrukcja grupy tłokowo-cylindrowej silników spalinowych. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa MYSŁOWSKI J.: Rozruch silników samochodowych z zapłonem samoczynnym. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa ABRAMEK K. F.: Change of a compression ratio and its influence on the gas scavenge effect. Archiwum Motoryzacji 2/ ABRAMEK K. F.: Natężenie przedmuchów przenikających do skrzyni korbowej silnika z zapłonem iskrowym. Materiały konferencji: Doładowanie silników spalinowych, Szczecin DOWSON D.: Piston assemblies, background and lubrication analysis. Engine Tribology, SMOCZYŃSKI M., SYGNIEWICZ J.: Przemieszczenia uszczelniającego pierścienia tłokowego w rowku pierścieniowym tłoka. Journal of Kones Vol. 2, No 1, Warszawa Poznań SERDECKI W.: Badania współpracy elementów układu tłokowo-cylindrowego silnika spalinowego. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań SYGNIEWICZ J.: Modelowanie współpracy tłoka z pierścieniami tłokowymi i tuleją cylindrową. Zeszyty Naukowe nr 615, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź ISKRA A.: Wpływ drgań własnych pierścienia uszczelniającego na warunki pracy zespołu tłokowo-cylindrowego. Journal of Kones, Vol. 1, No. 1, Warszawa Lublin ISKRA A., WIŚNIEWSKI T.: Wpływ ruchów poprzecznych tłoka na zużycie rowków pierścieniowych i pierścieni. KONES SYGNIEWICZ J.: Model uszczelnienia tłoka z pierścieniami w tulei cylindrowej. Journal of Kones, Gdańsk Jurata ABRAMEK K. F.: Effect of modification of sealing rings on starting properties of compression-ignition engines. Международный Сборник Научных Трудов. Издательство Калининградский Государственный Технический Университет, Kaliningrad ABRAMEK K. F.: The effect of the fuel temperature on the variation in the course of the pressure for the speed below idle run. Problems of Applied Mechanics International Scientific Journal. Georgian Committee of The International Federation For The Promotion of Mechanism And Machine Science. Tbilisi. Nr 1(22)/ Scientific Journals 19(91)

9 Ocena zjawiska przedmuchów gazów w tłokowych silnikach spalinowych w fazie rozruchu 15. ABRAMEK K. F.: Effect of scavenging of gases to crankcase on actual compression ratio during start-up. Problems of Applied Mechanics International Scientific Journal. Georgian Committee of The International Federation For The Promotion of Mechanism And Machine Science. Tbilisi. Nr 2(19)/2005. Pozostałe pozycje 16. ISKRA A.: Rozkład filmu olejowego na gładzi cylindrowej silnika tłokowego. Rozprawy nr 176, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań SERDECKI W.: Wpływ pierścieni uszczelniających na kształtowanie filmu olejowego na gładzi cylindrowej silnika spalinowego. Seria Rozprawy Nr 235, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Recenzent: dr hab. inż. Zbigniew Matuszak profesor Akademii Morskiej w Szczecinie Zeszyty Naukowe 19(91) 9

10 Scientific Journals Maritime University of Szczecin Zeszyty Naukowe Akademia Morska w Szczecinie 2009, 19(91) pp , 19(91) s Komputerowe systemy CMMs wspomagające eksploatacje maszyn i urządzeń górniczych Computer maintenance managing systems (CMMs) in mining machinery and equipment exploitation Witold Biały 1, Grzegorz Bobkowski 2 1 Politechnika Śląska Gliwice, Wydział Organizacji i Zarządzania, Katedra Podstaw Systemów Technicznych Zabrze, ul. Roosevelta 26, Witold.Bialy@polsl.pl 2 Politechnika Śląska Gliwice, Wydział Górnictwa i Geologii, Instytut Mechanizacji Górnictwa Gliwice, ul. Akademicka 2a, g.bobkowski@pa-nova.com.pl Słowa kluczowe: CMMs, zakłady górnicze, kopalnie węgla kamiennego Abstrakt Komputerowe systemy CMMs (Computer Maintenance Management systems) wspomagające zarządzanie eksploatacją maszyn i urządzeń oraz utrzymaniem ruchu przedsiębiorstw, z powodzeniem znalazły zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Istnieje możliwość wprowadzenia i praktycznego wykorzystania tych narzędzi w zakładach górniczych (kopalniach węgla kamiennego). Wprowadzenie systemu klasy CMM w kopalniach węgla kamiennego winno zapewnić ciągłość pracy eksploatowanych maszyn i urządzeń, a tym samym obniżyć koszty, w wyniku wydłużenia czasu pracy tych maszyn i urządzeń. Key words: CMMs, mining companies, coal mines Abstract Computer Maintenance Management systems (CMMs) in mining machinery and equipment exploitation as well as management of constant company activity have been successfully applied in various industrial areas. There is a real possibility of introduction and practical application of these tools in mining companies (coal mines). The introduction of CMM system in coal mines should secure the constant activity of the machinery and equipment resulting in reduction of exploitation costs as a results of prolonged working time of these devices. Wstęp Zadaniem każdej organizacji jest stworzenie zasad i reguł, według których można osiągnąć określony porządek. Dotyczy to również organizacji utrzymania ruchu jako specjalnie wyodrębnionego pionu organizacyjnego w przedsiębiorstwie. Działania realizowane w ramach takiej organizacji w większości przedsiębiorstw produkcyjnych polegają na rozwiązywaniu różnorodnych problemów wynikających z procesu produkcyjnego. Poprzez poprawę efektywności eksploatowania, która w praktyce przekłada się na wzrost (wydłużenie) zdatności urządzeń, ograniczenie awarii i przestojów maszyn i urządzeń oraz właściwą organizację i realizację prac obsługowych i konserwacyjnych, możliwe jest utrzymanie ciągłości produkcji, zwiększenie wydajności i poprawa jakości produkowanych wyrobów, a także ograniczenie kosztów eksploatacji maszyn i urządzeń, a co za tym idzie ograniczenie kosztów produkcji i produktu. W tym zakresie pomocne są istniejące i funkcjonujące rozwiązania w postaci odpowiednich narzędzi informatycznych. Współczesne układy techniczne w bardzo wielu sytuacjach wykorzystują oferowane na rynku systemy wspomagające zarządzanie utrzymaniem ruchu (np. systemy klasy CMMs Computer Maintenance Management systems). Systemy te wspomagają zarządzanie procesami eksploatacyjnymi w zakresie zapewnienia utrzymania obiektów eksploatacji objętych działaniem systemu w stanie zdatności, poprzez szeroko 10 Scientific Journals 19(91)

11 Komputerowe systemy CMMs wspomagające eksploatacje maszyn i urządzeo górniczych zakrojone działania o charakterze technicznym, organizacyjnym i ekonomicznym. Podstawy zarządzania eksploatacją i utrzymaniem ruchu systemów technicznych Zarządzanie eksploatacją można określić jako zestaw działań (obejmujący planowanie, organizowanie, kierowanie, motywowanie i kontrolowanie) prowadzonych w oparciu o przyjętą strategię eksploatacyjną, realizowanych w ramach odpowiednich struktur (organizacyjnych, decyzyjnych i informacyjnych) i wykonywanych z zamiarem osiągnięcia celów, wynikających z polityki eksploatacyjnej, w sposób sprawny i skuteczny. Informacje wynikające z tej definicji można uporządkować według modelu zarządzania (rys. 1), którego wykorzystanie w wersji ogólnej (nieukierunkowanej na określoną dziedzinę) zakłada [1]: 1) określenie strategii rozumianej jako zbiór cech stanowiących kryteria podejmowania decyzji; 2) istnienie struktur, w ramach których realizowane są działania zarządcze; 3) realizację działań zarządczych, obejmujących: planowanie i podejmowanie decyzji, organizowanie i realizowanie, motywowanie wykonawców i kontrolowanie realizacji zadań; 4) uwzględnienie właściwej kultury działań. Zarządzanie Strategia Struktura Działania Kultura Rys. 1. Ogólny model obszarów i zadań związanych z realizacją funkcji zarządczych Fig. 1. General model of fields and tasks connected with realization of management functions Odnosząc przedstawiony ogólny model obszarów i zadań związanych z realizacją funkcji zarządczych do zarządzania utrzymaniem ruchu można przyjąć, że identyfikacja i opis modelu powinny w tym przypadku obejmować: 1) zdefiniowanie założeń strategii eksploatacyjnej, czyli określenie sposobu podejmowania i prowadzenia prac w świetle przyjętej polityki eksploatacyjnej; 2) analizę struktur, czyli rozpoznanie i opis struktury organizacyjnej, decyzyjnej oraz struktury przepływu informacji zarówno dla organizacji bezpośrednio zajmującej się zarządzaniem utrzymaniem ruchu, jak i w powiązaniu z odpowiednimi strukturami nadrzędnymi i zewnętrznymi; 3) analizę funkcji i działań, czyli zdefiniowanie obszarów zadaniowych w zakresie utrzymania ruchu systemów technicznych, określenia środków i sposobów realizacji ww. zadań, a także określenia metod kontroli realizacji tych zadań. Uzupełnieniem przedstawionych elementów / obszarów, które można rozpatrywać jako techniczną sferę zarządzania utrzymaniem ruchu, jest kultura zarządzania stanowiąca czynnik humanizujący, wpływający na jakość realizacji poszczególnych zadań. Jednakże ze względu na charakter (techniczny) tej pracy, kultura zarządzania nie będzie tutaj szerzej rozpatrywana (nie będzie stanowiła osobnego zagadnienia). Przedstawione zadania, wynikające z ogólnego modelu zarządzania, dotyczą szerokiego zakresu działań organizacyjno-technicznych o różnym stopniu złożoności, zależnym od cech analizowanego systemu oraz konieczności szczegółowości opisu modelu takiego systemu. Opis ten, wynikający z identyfikacji i klasyfikacji poszczególnych cech, powinien być dokonany z uwzględnieniem zbioru zasad, charakteryzujących wzorcową organizację utrzymania ruchu. Do zasad tych należą: 1) zasada celowości organizacja utrzymania ruchu musi być zgodna z ogólnym celem przedsiębiorstwa; 2) zasada efektywności ekonomicznej priorytetem jest rentowność przedsiębiorstwa jako całości, nie zaś działu utrzymania ruchu; 3) zasada równowagi nadmiar uregulowań organizacyjnych zmniejsza elastyczność działania, ich niedobór prowadzi do braku określenia odpowiedzialności za podejmowane decyzje i realizowane zadania. Optymalnie powinno być tyle organizacji ile tylko potrzeba, tak mało, jak tylko jest to możliwe; 4) zasada koordynacji zadania z zakresu utrzymania ruchu muszą być rozsądnie podzielone na zadania podstawowe i zadania uboczne, z uwzględnieniem właściwego priorytetowania. Możliwości wykorzystania systemów klasy CMMs w zakładach górniczych Komputerowe systemy wspomagające zarządzanie eksploatacją maszyn i urządzeń oraz utrzymaniem ruchu w przedsiębiorstwach z powodzeniem znalazły zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Jedną z wielu możliwości wykorzystania takich narzędzi jest ich wprowadzenie i praktyczne zastosowanie w zakładzie górniczym. Optymalizacja procesów remontowych i modernizacja złożonych systemów, np. energomechanicznych, potrzebuje Zeszyty Naukowe 19(91) 11

12 Witold Biały, Grzegorz Bobkowski efektywnego narzędzia wspierającego kompleksowo realizację dużych inwestycji prowadzonych zazwyczaj w czasie czynnego procesu wydobywczego. Najlepszym narzędziem do kontroli i optymalizacji tego typu zadań jest wyspecjalizowany moduł gospodarki remontowej wkomponowany w zintegrowany komputerowy system zarządzania kopalni. W przypadku wdrożenia, system taki pozwala na optymalizację w zakresie: zapasów magazynowych, części i materiałów, zaopatrzenia, usług zewnętrznych, prac konserwacyjno-naprawczych, co przekłada się na efekty ekonomiczne przedsiębiorstwa. Utrzymanie ciągłości ruchu w kopalniach węgla kamiennego generuje wysokie koszty produkcji. Wprowadzenie systemu klasy CMMs w kopalniach węgla kamiennego powinno zapewnić ciągłość pracy eksploatowanych maszyn i urządzeń, a tym samym obniżyć koszty zmienne przedsiębiorstwa w wyniku wydłużenia czasu pracy tych maszyn i urządzeń [2, 3]. Podstawą sprawnego i skutecznego zarządzania utrzymaniem ruchu istniejących układów technicznych zakładów górniczych jest optymalne wykorzystanie systemów informacyjnych. Szczególnie uwidacznia się to w procesie eksploatacji układów złożonych (takich jak ciąg urabiająco-odstawczy w kopalni węgla kamiennego), w przypadku których każda informacja stanowiąca podstawę decyzji dotyczy bardzo szerokiego i różnorodnego obszaru zagadnień. Podejmowanie racjonalnych decyzji w tak specyficznym środowisku jest możliwe tylko wówczas, gdy jesteśmy w stanie uwzględnić wiele aspektów tej różnorodności. Narzędziem usprawniającym działanie służb utrzymania ruchu na terenie kopalni jest funkcjonujące rozwiązanie w postaci systemu klasy CMMs, obejmujące swym zasięgiem pełny zakres zadań realizowanych w ramach utrzymania ruchu. Systemy te sygnalizują konieczność dokonywania czynności obsługowokonserwacyjnych o charakterze prewencyjnym, ilościowe i terminowe zabezpieczenie zasobów eksploatacyjnych (narzędzia, części zamienne, materiały eksploatacyjne, sprzęt specjalistyczny) dla potrzeb działań obsługowo-naprawczych. Ponadto możliwym jest szybkie zgłaszanie, a więc i natychmiastowe podejmowanie działań wynikających z sytuacji awaryjnych, w rezultacie: optymalizacja i minimalizacja czasu niezbędnego na obsługę oraz zarządzanie dokumentacją realizowanych zadań. Wdrażając system CMMs w przedsiębiorstwie górniczym, poza dokonaniem oceny technicznej poszczególnych systemów, należy [2, 3, 4]: 1) rozpoznać dostępne środki informatyczne w przedsiębiorstwie, jak sieci komputerowe, oprogramowanie i bazy danych, sprzęt komputerowy i systemy operacyjne o wymaganych przez systemy CMMs parametrach technicznych; 2) uwzględnić możliwości integracji wdrażanego systemu CMMs z istniejącymi już w przedsiębiorstwach górniczych systemami informatycznymi (np. księgowymi, płacowymi, personalnymi, gospodarki magazynowej itp.); 3) określić strukturę obiegu informacji technicznej w przedsiębiorstwie górniczym na poziomie służb utrzymania ruchu kopalni oraz ich powiązania ze strukturami nadrzędnymi (i zewnętrznymi). Pierwsze dwa punkty dotyczą wyposażenia informatycznego Zakładu Górniczego. Kopalnie posiadają systemy informatyczne, które umożliwiają poszerzenie ich o kolejne moduły. Natomiast punkt trzeci stanowi podstawę strategii wdrażania systemu CMMs. Wdrożenie systemów CMMs w kopalniach winno się rozpocząć od szczegółowego ustalenia wzajemnych powiązań istniejących środków technicznych biorących bezpośredni udział w procesie wydobycia, z możliwością późniejszego dopasowania do całej struktury technicznej kopalni [4, 5, 6]. Określone powyżej uwarunkowania użytkowe w połączeniu ze wskazanymi obszarami wspomagania mogą stanowić podstawę dla projektu wdrożenia systemu wspomagania. Projekt taki powinien uwzględniać całościowy obraz metody, od określenia warunków początkowych jej zastosowania, poprzez przedstawienie realizowanego zgodnie z tą metodą schematu postępowania, do zidentyfikowania uzyskanych wyników (rys. 2). Istotnym składnikiem projektu wdrożeniowego jest szczegółowe rozpoznanie struktur i działań stanowiących przedmiot wspomagania. Rozpoznanie takie powinno poprzedzać podjęcie decyzji narzędziowych, a jego wynik może być podstawą do przekształcania struktur i działań optymalizujących wspomagany podmiot oraz dostosowujących jego własności i właściwości do wymagań systemu wspomagania [4, 6]. W chwili obecnej najbardziej zaawansowane systemy umożliwiają rozszerzenie działania na wiele zakładów jednego przedsiębiorstwa rozsianych niejednokrotnie po świecie (globalnie, miejscowo), wiele języków, stref czasowych, walut rozliczeniowych itp. Instalacje tego typu dają moż- 12 Scientific Journals 19(91)

13 KIERUNEK WDRAŻANIA KIERUNEK WDRAŻANIA Komputerowe systemy CMMs wspomagające eksploatacje maszyn i urządzeo górniczych Analiza sposobu (algorytmu) realizacji zadania Identyfikacja zadań cząstkowych podatnych na wspomaganie Dobór środków i sposobów wspomagania Synteza zadań wspomaganych (system wspomagania) Testowanie systemu wspomagania Rys. 2. Schemat procesu budowy systemu wspomagającego wybrane zadania inżynierskie Fig. 2. Schematic diagram of the construction process of computer system assisting some chosen engineering work liwość optymalizowania zarządzania majątkiem w zakresie całej organizacji. Bez względu na wielkość organizacji (przedsiębiorstwa) możliwe jest poprawienie dostępności i działania majątku generującego dochód. Przy użyciu systemów wspomagających zarządzanie można skrócić czas i obniżyć koszty konserwacji, a także zagwarantować dostęp niezbędnych części przy równoczesnym obniżeniu zapasów oraz poprawie zaopatrzenia i usprawnieniu organizacji kontraktów zewnętrznych [4]. Komputerowe systemy wspomagające zarządzanie eksploatacją maszyn i urządzeń oraz utrzymaniem ruchu przedsiębiorstw rozwinęły się nie tylko pod względem funkcjonalnym (szersze pole działania), ale istotny okazał się także rozwój skalowalności systemów. Zastosowanie systemów informatycznych może więc dotyczyć pojedynczego zakładu, jak i szeregu przedsiębiorstw wchodzących w skład większej grupy, np. kompanii / holdingu / spółki. Wdrażanie systemu CMMs jest możliwe w skali miejscowej (ciąg urabiająco odstawczy w pojedynczym zakładzie) i skali globalnej (zarządzanie organizacjami rozproszonymi). Ta dogodna funkcja dotyczy możliwości centralizacji lub decentralizacji miejsca gromadzenia i przetwarzania informacji (danych) zgodnie ze strategią przedsiębiorstwa w ramach stworzonej jednej bazy. Możliwość wykorzystania narzędzia informatycznego w postaci systemu CMMs poprzez spójne prowadzenie prac dla wszystkich zależnych organizacji wchodzących w skład jednego organizmu (kompania / holding / spółka) przedstawione zostało na rysunku 3. System pozwala na definiowanie dowolnej liczby organizacji i / lub zakładów oraz umożliwia wybór sposobu zarządzania na poziomie przedsiębiorstwa, organizacji lub oddziału odrębnie w odniesieniu do założeń organizacyjno-ekonomicznych PRODUCENT MASZYN I URZĄDZEŃ skala globalna skala miejscowa KOMPANIA / SPÓŁKA / HOLDING Rys. 3. Zarządzanie organizacjami rozproszonymi [2] Fig. 3. Management of scattered organizations [2] Zeszyty Naukowe 19(91) 13

14 Witold Biały, Grzegorz Bobkowski (systemy kont, waluta bazowa, sprawozdania finansowe), jak i danych operacyjnych (kooperanci, podatki, zlecenia robót itp.). Takie rozwiązanie pozwala na sprawniejsze zarządzanie częściami zamiennymi, zasobami ludzkimi i wyposażeniem wchodzącym w skład majątku ruchomego przedsiębiorstwa. Miejsce wdrożenia systemu CMMs w zakładzie górniczym Na podstawie przeprowadzonej analizy górniczych systemów stwierdzono, że największą awaryjnością charakteryzuje się kompleks ścianowy. Z przeprowadzonej analizy wynika, że w ciągu urabiająco-odstawczym awariom najczęściej ulega kombajn oraz przenośnik. Rozpoczęcie wdrażania systemu CMMs metodą multi-site należałoby rozpocząć od kompleksu ścianowego. Przyjmując założenie, że pierwszym miejscem wdrożenia systemu CMMs będzie ściana wydobywcza, przedstawiono przykładowe wyposażenie ściany I/1000 w sposób zhierarchizowany, przypisując maszynom, zespołom, podzespołom i elementom unikalne kody pozwalające na identyfikację i śledzenie lokalizacji maszyn i urządzeń (rys. 4). Dla poszczególnych elementów ściany przedstawiono schemat ogólny, natomiast dla obudowy zmechanizowanej szczegółowy schemat hierarchiczny (rys. 5). Podsumowanie Służby utrzymania ruchu w zakładach górniczych działają w oparciu o typową strategię eksploatacji według ilości wykonanej pracy. Strategia ta stanowi podstawę systemu obsług planowo-zapobiegawczych, w efekcie czego pomijana jest prewencja, która jest istotnym kryterium w ocenie stanu technicznego obiektów eksploatacji. Zastosowanie strategii CMMs w gospodarce remontowej zakładu górniczego powinno przynieść efekty w postaci uporządkowania wszystkich czynności związanych z eksploatacją maszyn i urządzeń górniczych biorących udział w procesie wydobycia. Bez względu na wielkość organizacji możliwe jest zoptymalizowanie zarządzania majątkiem w zakresie całej organizacji. Przy użyciu systemów wspomagających zarządzanie można skrócić czas, obniżyć koszty konserwacji, a także zagwarantować dostępność niezbędnych części zamiennych przy równoczesnym obniżeniu zapasów oraz poprawę zaopatrzenia i usprawnienie organizacji kontraktów zewnętrznych. Efektywność zarządzania utrzymaniem ruchu w zakładach górniczych jest możliwa przy jednoczesnym zagwarantowaniu trzech podstawowych warunków uwzględniających: racjonalny wybór systemu wspomagającego, jego odpowiednie wdrożenie oraz odpowiedni proces użytkowania systemu. 1 ŚCIANA I/100 1_1 KOMBAJN GÓRNICZY ŚCIENNY M _2 PRZENOŚNIK ZGRZEBŁOWY M _3 OBUDOWA ZMECHANIZOWANA M _1_1 PZ (np. silnik elektryczny) 1_1_1_1 CZ (np. wirnik) 1_1_1_2 CZ (np. wał dwuwyjściowy) 1_1_1_3 CZ 1_1_2 PZ (np. ciągnik hydrauliczny) 1_1_2_1 CZ (np. komora elektryczna)) 1_1_3 PZ (np. głowica urabiająca sztywna) 1_1_3_1 CZ (np. wał organu urabiającego) 1_1_4 PZ (np. głowica urabiająca ramionowa) 1_1_4_1 CZ (np. część stała głowicy) 1_1_4_1_1 CZ (np. sprzęgło) 1_1_4_1_2 CZ (np. pompa olejowa) 1_1_4_1_3 CZ (np. siłownik hydrauliczny) 1_2_1 PZ (np. wał wysypowy i zwrotny) 1_2_1_1 CZ (np. podst. zespoły napędów) 1_2_1_2 CZ (np. kadłub napędu) 1_2_2 PZ (np. podstawowe zespoły zwrotni) 1_2_2_1 CZ (np. kadłub zwrotni) 1_2_3 PZ (np. rurociąg) 1_2_3_1 CZ (np. podst. zespoły rurociągu) 1_2_4 PZ (np. belka kotwiąca) 1_2_5 PZ (np. łańcuch zgrzebłowy) 1_2_6 PZ (np. urządzenie do napinania łańcucha zgrzebłowego) 1_1_6_1 CZ (np. hamulec) 1_1_6_2 CZ (np. zaczep) 1_3_1 PZ (np. stropnica kompletna) 1_3_1_2 CZ (np. stropnica zasadnicza) 1_3_1_3 CZ (np. siłownik) 1_3_2 PZ (np. stropnica wychylno-wysuwna) 1_3_2_1 CZ (np. stropnica wychylna) 1_3_2_2 CZ (np. stropnica wysuwna) 1_3_3 PZ (np. zespół spągnic) 1_3_3_1 CZ (np. spągnica prawa i lewa) 1_3_3_2 CZ (np. sworzeń) 1_3_4 PZ (np. układ przesuwu) 1_3_4_1 CZ (np. przesuwnik) 1_3_4_2 CZ (np. belka przesuwna) Rys. 4. Wyposażenie ściany I/1000 Fig. 4. Elements of equipment of I/1000 longwall 14 Scientific Journals 19(91)

15 Komputerowe systemy CMMs wspomagające eksploatacje maszyn i urządzeo górniczych 1_3 OBUDOWA ZMECHANIZOWANA FAZOS 15/31 Poz/BSN 1_3_1 Stropnica kompletna 1_3_2 Stropnica wychylno-wysuwna 1_3_3 Osłona kompletna 1_3_4 Zespół spągnic 1_3_1_2 Stropnica zasadnicza 1_3_2_1 Stropnica wychylna 1_3_3_1 Osłona odzawałowa 1_3_4_1 Spągnica prawa 1_3_1_3 Osłony stropnicy stałe 1_3_2_2 Stropnica wysuwna 1_3_3_2 Osłony boczne stałe 1_3_4_2 Spągnica lewa 1_3_1_4 Osłony stropnicy ruchome 1_3_1_5 Siłownik 1_3_1_6 Prowadniki osłon 1_3_1_7 Sprężyny 1_3_2_3 Osłona czoła ściany 1_3_2_4 Siłowniki 1_3_2_5 Sworznie 1_3_2_6 Prowadniki 1_3_3_3 Osłony boczne ruchome 1_3_3_4 Siłownik 1_3_3_5 Ucha 1_3_3_6 Ceowniki 1_3_4_3 Sworzeń 1_3_4_4 Łącznik 1_3_4_5 Siłownik korygujący 1_3_1_8 Sworznie 1_3_5 Układ przesuwu 1_3_5_1 Przesuwnik 1_3_5_2 Belka przesuwna Rys. 5. Schemat hierarchiczny odbudowy zmechanizowanej Fig. 5. Hierarchic diagram of mechanized lining Bibliografia 1. LOSKA A.: Bazy danych we wspomaganiu zarządzania eksploatacją maszyn i urządzeń. Rozprawa doktorska, Gliwice BIAŁY W., BOBKOWSKI G.: Możliwości wykorzystania narzędzi komputerowych w gospodarce remontowej kopalń węgla kamiennego. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa nr 4 (411) BOBKOWSKI G., SKOĆ A.: Możliwość poprawy trwałości maszyn i urządzeń górniczych w wyniku wprowadzenia komputerowych systemów CMMs. Monografia zbiorowa pod red. A. Skocia: Zagadnienia Trwałości w Projektowaniu, Badaniach i Eksploatacji Elementów Maszyn, Gliwice KONDERLA J.: Komputerowe systemy CMM wspomagania eksploatacją maszyn strategia wdrażania. Praca dyplomowa. Politechnika Śląska, Gliwice BIAŁY W., ROZMUS M.: Możliwości zastosowania narzędzi komputerowych w serwisowaniu maszyn górniczych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa nr 12(419) HELEBRANT F., JURMAN J., FRIES J.: Maintenance of machines from the point of view of modern functional operation. Ekonomika i Organizacja Przedsiębiorstwa nr 7, Warszawa Recenzent: dr hab. inż. Zbigniew Matuszak profesor Akademii Morskiej w Szczecinie Zeszyty Naukowe 19(91) 15

16 Scientific Journals Maritime University of Szczecin Zeszyty Naukowe Akademia Morska w Szczecinie 2009, 19(91) pp , 19(91) s Remarks on human reliability with reference to marine power plant operation Analiza niezawodności człowieka w kontekście pracy w siłowniach okrętowych Leszek Chybowski, Zbigniew Matuszak Akademia Morska w Szczecinie, Wydział Mechaniczny Instytut Technicznej Eksploatacji Siłowni Okrętowych Szczecin, ul. Wały Chrobrego 1-2, l.chybowski@am.szczecin.pl, zbimat@am.szczecin.pl Key words: human factor, human error, human reliability measure, marine system, offshore technical object Abstract This article is an introduction to the analysis of human reliability in specific anthropotechnic systems, such as marine power plants. The human factor is discussed as one that is responsible for creating dangerous situations during the operation of offshore technical objects, mainly sea-going vessels. Besides, we indicate the place of a human being in marine technical systems, his specific qualities and interaction with the environment. Selected classifications of human errors are given as well as their particular causes. Then we present a model of an autonomous system referring to the human being, based on Mazur s concept. Besides, potential fault nodes resulting from that model are specified. We show examples of quality and quantity models that are helpful in the analysis of the reliability of the human, an element of such technical systems as marine power plants. Final remarks include possible applications of mathematical models herein presented in analyses as well as some restrictions in the use of these models. Emphasis has been put on essential difficulties in utilizing simulators for the examination of the reliability of the human considered as the operator of a marine power plant. These difficulties are due to a variety of interactions within the system (the vessel) and relations with the external environment. Słowa kluczowe: czynnik ludzki, błąd człowieka, miara niezawodności człowieka, system okrętowy, obiekt oceanotechniczny Abstrakt W materiale dokonano ogólnego wprowadzenia do tematyki analizy niezawodności człowieka w specyficznych systemach antropotechnicznych, jakimi są siłownie okrętowe. Wskazano na udział czynnika ludzkiego w powstawaniu sytuacji niebezpiecznych podczas pracy obiektów oceanotechnicznych, w tym statków morskich oraz miejsce człowieka w okrętowych systemach technicznych, jego specyficzne cechy i interakcje z otoczeniem. W artykule przedstawiono wybrane klasyfikacje błędów człowieka oraz wskazano szczególne przyczyny ich powstawania. Przybliżono, oparty na koncepcji Mazura, model systemu autonomicznego w odniesieniu do człowieka oraz wyszczególniono wynikające z tego modelu potencjalne węzły niezdatności. W artykule pokazano przykładowe modele jakościowe i ilościowe pozwalające na wsparcie analizy niezawodności człowieka jako elementu systemów technicznych, jakimi są siłownie okrętowe. W uwagach końcowych omówiono możliwość wykorzystania w analizach przedstawionych w pracy modeli matematycznych i ewentualne ograniczenia ich zastosowań oraz zaakcentowano istotne trudności wykorzystania symulatorów w analizie niezawodności człowieka eksploatatora siłowni okrętowej z uwagi na specyficzne interakcje zarówno wewnątrz systemu jakim jest statek, jak też związki ze środowiskiem zewnętrznym. Introduction Practice shows that the human factor makes up the greatest hazard that may cause a widely understood reduction in the quality of operation of most systems, e.g. biological, economic, social, technical (including marine objects) and others. Disturbances in the operation of systems caused by 16 Scientific Journals 19(91)

17 Remarks on human reliability with reference to marine power plant operation people (omission, ignorance, fatigue etc.) are dealt with as various facets of system analysis. They mainly pose a threat to occupational safety and operational reliability, and lead to a reduction of the effectiveness of anthropotechnical systems operation. This also refers to marine transportation systems and their sub-structures, such as vessels and offshore technical objects and port systems. With reference to sea-going vessels, one of the essential factors ensuring safe and reliable execution of tasks assigned to them is the proper functioning of marine power plants in cargo and/or passenger ships as well as special-purpose vessels. Further in this article we examine some problems, which include selected quantity and quality measures connected with the determination of power plant operator s reliability. The material presented herein refers to the problem of unintended human unreliability. This restricts the application of presented models so that they cannot be used in intentional actions of a person aimed at deliberate steps putting a system in a down state, e.g. industrial sabotage. Place of a human in the evaluation of marine power plant operation The marine power plant is an anthropotechnical system of the human technical object environment (H-T-E) type. An example of basic interactions within such a system is shown in figure 1. The safety of the marine power plant and its operation can be analyzed by evaluating elements of a given system, consisting of a human operator and the environment (H-T-E system). By decomposing the element H (human) we can distinguish the direct user (operator) and various classes of operational managers (management level). In the area E (environment) we can identify a person not directly associated with object operation and an artificial environment (co- -operating objects and others, occurring only in the environment) and the natural environment (inanimate: atmosphere, lithosphere, hydrosphere and animate: fauna and flora). The human, an element of the H-T-E system, may generally be considered in various ways: a user handling a machine (pilot, driver, etc.), a technician servicing a machine in the maintenance process (state control, running or preventive repairs), a system element realizing certain particular functions (investigator, observer), a person using a service provided by a machine (e.g. a passenger of a given means of transport) [1]. If we consider marine power plants, various aspects of activities Environment Human Technical object Fig. 1. The model of the human technical object environment system Rys. 1. Model systemu współzależności człowiek objekt techniczny środowisko of the personnel interacting with machinery and equipment should be taken into account. Apart from major overhauls executed with the help of land-based personnel, in normal operating conditions many functions are performed by ship s engineers, which is due to unusual working conditions and no assistance from land-based infrastructure. In this approach, the ship s engineer (locally on the operational and management levels) is both the user of marine power plant subsystems (use and technical state control), a person executing a number of maintenance processes (repairs, maintenance, inspection of spares and writing orders for spare parts and operating materials), at the same time being the system observer who prepares reports and improves his professional competence (particular functions). It should be noted that the marine power plant system has some untypical features, such as the impossibility to postpone some maintenance works, no possibility for spares to be delivered promptly, necessity of implementing temporary solutions in emergency situations that on land would be out of consideration, and a strong influence of external environmental factors (waves, tides, winds, storms etc). In addition, ship s personnel is under strong stress that may occur over a long period of time (isolation from the society for a long time) and suddenly happening in emergency situations, when a quick response may be critical in rescuing human life or preventing injuries. The environment can also affect the object indirectly, changing the condition of human-operator. The reverse effect is also possible. All the above properties make the statistical share of humans in marine accidents quite high. The most frequent cause of marine accidents are errors made by the human (ship s personnel) while operating the ship (handling and maintenance), and any other object at sea. According to a local analysis of marine accidents [2] that occurred in 2002, covering 834 Zeszyty Naukowe 19(91) 17

18 Leszek Chybowski, Zbigniew Matuszak Total 114 causes Insufficient maintenance, inspection or handling of the main engine Insufficient maintenance, inspection or handling of lubricating oil/fuel oil 10 Insufficient maintenance, inspection or handling of auxiliary engine etc. 5 Defective structure, material, equipment etc. 2 1 Inappropriate management Force majeure Fig. 2. Causes of marine accidents in 2002 connected with a failure of ther marine power plant; report of the Marine Accident Inquiry Agency Rys. 2. Przyczyny wypadków morskich w 2002 r. związane z awarią siłowni okrętowych; raport Agencji Badania Wypadków Morskich accidents involving 1259 ships, about 99 cases (12% of all accidents) are accidents due to a failure of marine machinery. The shares of particular causes of failures of ship s installations for this case are shown in figure 2. The greatest share, i.e. 65 failures are connected with improper maintenance, inspection or handling of main engines. Errors in the operation of power plant systems and auxiliary engines are also focused on the human (operator), being an element of the marine power plant system. Generally, the unreliability of humans (personnel) who work surrounded by the marine environment is one of the main causes of accidents, failures and sinking of offshore systems. Most often such accidents directly or indirectly cause the pollution of the marine environment or loss of human life. That unreliability most often results from improper adjustment of the objects as such or their components to the needs and possibilities of the human. Considering the man as an operator of a machine a technical device we see it is important that action controlling that machine are taken in due time and correct (error-free). That is because both system effectiveness and, in many cases, the safety of operator, other persons and technical system components or the environment depend on it. Promptness and correctness are basic characteristics of the human as an element of the H-T-E system [3]. Safety should characterize the entire system: a person affects the system safety to same degree as work in improper time, inaccuracy and human erroneous actions generate emergency situations. Kotarbiński extended the classification of human errors that can be considered in the presented approach of H-T-E interactions in nine different categories of errors [4]: substitutes of actions (actions directed at an object very similar to the proper object), automatic implementations (propagation of actions in the wrong direction), losing (squandering of objects), lateness (including sluggishness and laziness), unsuccessful searching (goal not achieved despite the effort made), failing to interfere (passive attitude in taking actions), impulsive (feverish) reactions and practical errors based on logical errors (execution of wrong conclusions). Event rankings in marine power plant systems During the quality analysis of technical system reliability, including such systems as offshore technical objects, usually minimal cuts of unreliability are searched for on the basis of the system model (block diagram of reliability, fault tree, binary equation etc.). When a set of all minimal cuts is found, it is possible to further process the data in order to identify the type of individual elements (events) in the obtained minimal cuts. On this basis we can also infer the priority of a given cut. The criticality rank [5] of a given cut may then be adopted from the following ranking (see fig. 3) of component events corresponding to the elements of the system presented. 18 Scientific Journals 19(91)

19 Remarks on human reliability with reference to marine power plant operation Human reliability in the technical system Fig. 3. Ranking of primary events used in the qualitative reliability analysis Rys. 3. Klasyfikacja zdarzeń podstawowych wykorzystywanych w jakościowej analizie niezawodności The ranking of events presented in figure 3 is based on an assumption that human errors occur more frequently than active components failures, and the latter are more frequent than passive component failures. For example, a pump in operation is much more susceptible to failures than a standby pump. The ranking above may be used for the quality classification of the priorities of minimal cutsets composed of two or more primary events. Figure 4 presents ranks of two-component minimal cutsets. Human reliability is considered as person s ability to perform certain actions in a preset time interval and in specified conditions of the environment. Among various functional states of the human two main groups are identified: normative and pathological states. It is usually difficult to find a clear-cut distinction between the two states, although this distinction is important while we consider reliability and intend to determine the effect of these states on human errors. In the assessment of operator performance what is important is the effect of his actions as well as the manner in which the effect has been achieved, if it is important due to processes taking place in control objects and due to the economy of their operation process. A model of operator s (ship s engineer s) reliability independent of time corresponds to routine work done in the process of using marine installations (plants), such as switching on and off machines and equipment, switching over machines and installations, changing operating parameters and settings of automatic control systems. This model has the following form: R P( Z 1, W 1) (1) where: Z discrete random variable such that: Z = 1, when an operator s task has been realized, and 0 when it has not been realized; W discrete random variable such that: W = 1, when the task has been performed in a correct manner, and 0 when it has been executed in an incorrect manner. A model of time-dependent reliability is useful in assessing ship s engineer s (operator s) performance in emergency situations or such situations in which failing to perform the task in a specified time poses a threat to a installation or objects located in its environment. Certain cases can be distinguished in which the engineer, responding to disturbances or failures carries out routine actions and such that are taken solely on the basis of his knowledge. Time-dependent reliability is described by the relation (2). The time of execution is generally subject to the log-normal distribution [6]. Fig. 4. Ranks of minimal cutsets composed of two primary events Rys. 4. Klasyfikacja czynników wpływających na podstawowe zdarzenia R( t) P( Z 1, T t) (2) where: T continuous random variable expressing the time of task execution by the operator; t positive real number. Zeszyty Naukowe 19(91) 19

20 Leszek Chybowski, Zbigniew Matuszak The human being is a highly complex system with a redundant reliability structure. From the cybernetic point of view the human can be regarded as an autonomous system because he: has a capability of self-control, is capable of preventing the loss of that ability, is able to maintain a functional balance in spite of changes in his environment, tries to keep up his existence and functions for his own interests. The human body fulfils all functions of an autonomous system, which allows to classify, according to Mazur s concept [7], various human qualities, such as: affecting the environment (through effectors), acquiring information from the environment (through receptors), taking energy from the environment (through alimentators), storing and processing information (using correlators), processing and storing energy (using accumulators), maintaining the functional balance (using homeostats). A simplified representation of the human as an autonomous system and relations Human-Environment are shown in figure 5. Fig. 5. Structure of the human as an autonomous system Rys. 5. Człowiek jako przykład systemu autonomicznego From the point of view of reliability the human can be characterized by a number of errors. Some classifications have already been presented. Using the model shown in figure 3, we can classify human errors by taking into consideration incorrect functioning of specific elements of the system modelled in this way. The following errors can be distinguished in particular: errors of reception of information from the environment (these may result from the imperfection of receptors and from disturbances in information acquired from the environment), errors of information processing (these may be due to excessive amount of information exceeding the capabilities of the correlator or its being unadjusted to process a particular piece of information), incorrect influence on the environment (these errors may be due to the decrease of functional stability or exceeding of the capabilities of effectors), lost or restricted ability to act due to injuries of human organs, lost or restricted ability to adapt to changes occurring in the environment. Taking into consideration the above mentioned characteristics we can evaluate such qualities of human reliability as faultlessness and effectiveness. These two characteristics determine human operational reliability, while failure-free operation determines biological reliability. As the problems of research into human errors and their consequences in H-T-E systems are highly complex, there is a need to develop new relevant methods of investigation. According to Brandowski, operator s reliability can be determined through simulator-based examination [8]. This is connected with the fact that in natural conditions the data indispensable for the estimation of operator s reliability characteristics cannot be obtained, as tasks performed by the operator in dangerous situations may cause loss of property and pose a threat to human life and health. The quantitative measure of human biological reliability can be expressed as the probability of maintaining the ability to act in a specified time interval and in specified conditions. With reference to the human being we can utilize the engineering concept of element failure, and thus use such notions as reversible failures (temporary instantaneous loss of ability to act as a result of stress, illness, alcoholic stupor) or irreversible failures (improper functioning of certain organs of the human, death). Human reliability can be measured as the probability of success achieved in performing a job or task at a given stage of system functioning within a specified time interval, determined by task execution time requirements. A correct action consists in undertaking planned activities in scheduled time. An incorrect action can damage a device or may change the course of performing actions (task). Jaźwiński [3] presents a model of time required for task execution by a person. 20 Scientific Journals 19(91)

21 Remarks on human reliability with reference to marine power plant operation The human needs a specific time T 1 to receive information (depending on capabilities of the receptors), information analysis time T 2 (depending on the capabilities of the correlat), decision-making time T 3 (co-operation between the correlator and the effector), decision execution time T 4 (dependent on the capabilities of the effector). A task will be done in due time / promptly, if the specified time for task execution will satisfy this inequality T 1 T2 T3 T4 T0 (3) where: T 0 preset time for task execution. Lomov proposed four principal quantitative indexes of human reliability, namely the correctness, availability, restitution and validity indexes [9]. Operator s correctness index P j is a measure defining the probability that the operator will work without making any errors (probability of errorfree, / correct / task execution), which can be expressed in this form: N j n j Pj (4) N where: N j total number of performed operations, n j number of errors made. Operator s availability index K is the probability that the operator will be able to start work any any moment, such that: T1 K 1 (5) T where: T 1 time when the operator withdraws from work; it is a period of operator s absence from his work station, T total time of operator s work. Restitution index P pop is connected with operator s self-control and correcting his own actions. This index determines the probability of correcting errors made by the operator, such that: P pop k j P P P (6) where: P k probability that a controlling device will send a signal, P w probability that the operator will detect the signal sent by the controlling device, P p probability that incorrect operations will be corrected when done for the second time. w p Validity index P a (operator s working time adequacy) is expressed by the probability of performing the tasks by the operator in time τ < T 0, written in this form: T 0 Pa P( T0 ) f ( ) d (7) where: f(τ) function of density of the probability that the operator will execute the task. When the operator works continuously, the probability R 0 (t) of his correct (error-free) work is sometimes described by analogy to technical systems in the following form: t R0 ( t) exp 0( ) d (8) 0 where: λ 0 (t) intensity of making errors by a person at an instant t. The application of this approach, however, is very difficult due to the fact that the human characteristics change affected by varying internal and external conditions. All this makes it at times impossible to describe clearly the relationship between operator s reliability and duration of his work. Human ability to correct his errors can be regarded as the probability R kb (t) that an error admissible during task performance will be corrected after the time t at a specified workload and a state of environment is adequate to the task being executed. The probability of correcting an error is defined by this relation t R kb( t ) exp ( )d (9) 0 where: μ(t) frequency of correcting an error by a person at an instant t. Operational reliability of the user-operator can be defined as the probability of correct and prompt task execution composed of elementary actions, and is described by this relation: N N R 0 Pi P Ti T0 i1 i1 (10) where: P i probability of error-free (correct) execution of i-th action, T i execution time of i th action, T 0 time assigned to task execution. 0 Zeszyty Naukowe 19(91) 21

22 Leszek Chybowski, Zbigniew Matuszak When a ship s personnel acts under stress, e.g. while eliminating the consequences of a serious marine disaster in order to save their lives, magnitudes T i (i = 1,2,...,N) are stochastically dependent, that is probabilities P i are functions of stress. Then practical use of the relation (10) becomes very difficult or just impossible. In order to determine human operational reliability computations using the presented mathematical models are supported by computer-aided simulations. Final conclusion During the realization of elementary actions (information reception and processing, decision making and execution) the operator may make errors. In this approach human errors can be traced at all the stages of the existence of a given technical system, including the marine power plant. In particular, these errors are as follows: designing errors due to insufficient designing quality, errors occurring due to improper performance of predicted maintenance activities by the personnel or due to the performance of unpredictable procedures, manufacturing errors caused by bad quality of work or improper material or by making a product not in accordance with the requirements, errors of technical maintenance occurring in the process of operation as a result of bad quality of repairs and assembly, errors of quality inspection resulting in acceptance of defective products as good ones, or acceptance of an overhauled machine with incorrectly repaired parts, errors of improper storage and transport. Among errors made during personnel s work the following can be mentioned: insufficient qualifications of maintenance personnel, performing improper maintenance or handling actions, improper working conditions, insufficient or improper working tools, improper incentives for error-free work. In spite of a wide range of mechanisms and locations where human errors are made, the fact that these processes are complex [10] and have a random character makes an analysis of the anthropotechnic system reliability very difficult. As a rule, in a reliability analysis of a specific system failures caused by the operator s error are omitted if they are nor very expensive to remove. In some particular situations they are even hidden. Vessel crews are in a special situation, relying only on their skills, spares and supplies available on board and restricted possibilities of repairs in on board workshops. Furthermore, a crew, a small group of people staying together in a relatively restricted area for several months has specific mental, physiological, sociological and other conditions. All these factors lead to a conclusion that vessel personnel should be in the care of personality psychologists. The combination of all relevant studies facilitates an analysis of social interactions in a group and mechanisms affecting the functioning of this group. Shipowners tend to economize at all costs, especially by reducing the number of on board personnel. This shows that shipowners have, unfortunately, a technocratic approach to operators of offshore technical systems. Determining the reliability of a human as a technical system we should take into consideration a number of factors, such as: probability of an error that can be made while performing each operation within human activity; possibility of predicting most essential errors that can be made in the process of handling and maintenance of devices; frequency of failures of devices and technical systems caused by the human; taking into considerations those human errors that are irreversible; probability of correct operation of a device (system) providing an error has been made. The selected measures of human reliability herein presented can be used in reference to marine power plants as a helpful tool in a preliminary assessment of how various types of events (human errors) affect and interact with failures of machines and devices. The specific design of marine systems (many elements occur in many system cutsets) [11, 12] as redundancies in such systems are necessary /in connection with redundancies in such systems) as well as shortage of data obtained from operations of similar objects, i.e. vessels (due to the character of marine power plants, which are usually unique systems) may substantially hamper quantitative analyzes of human participation in putting a system in a down state. Another essential factor which makes such analysis difficult is the character of works done during the operations of marine power plants that are never the same on various ships (even sister vessels); besides many works done even on the same ship are unique actions (performed just once during the overall maintenance process). In spite of the fact that simulators for identifying human reliability are a powerful tool in examining pilots (aeronautics, astronautics), these features of activities / work in the marine power plant significantly restrict possibilities of using such simulators in examining the reliability of a human an operator of a marine power plant (ship's engineer). However, for certain activities / operations it is possible to 22 Scientific Journals 19(91)

23 Remarks on human reliability with reference to marine power plant operation adopt some analogous models from aeronautics, supported by data on pilots' reliability obtained from simulation tests. References 1. CHYBOWSKI L., GRZEBIENIAK R., MATUSZAK Z.: Uwagi o możliwości wykonania zadania przez operatora systemu technicznego. Zeszyty Niezawodność i Efektywność Systemów Technicznych. KGTU, Kaliningrad 2006, Report On Marine Accidents Toward Prevention of Recurrence of Marine Accidents. Marine Accident Inquiry Agency, Tokyo JAŹWIŃSKI J., BORGOŃ J.: Niezawodność eksploatacyjna i bezpieczeństwo lotów. WKiŁ, Warszawa KOTARBIŃSKI T.: Sprawność i błąd. PZWS, Warszawa VATN J.: Finding minimal cut sets in a fault tree. Reliability Engineering and System Safety 36, 1992, DOUGHERTY E.M., FRAGOLA J.R.: Human Reliability Analysis. John Wiley & Sons, New York MAZUR M.: Cybernetyka i charakter. PIW, Warszawa BRANDOWSKI A.: Symulator do badań niezawodności człowieka operatora zautomatyzowanych instalacji okrętowych. Materiały XVIII Międzynarodowego Sympozjum Siłowni Okrętowych. Wyd. WSM w Gdyni, Gdynia 1996, Osnowy inżyniernoj psychologii. Praca zbiorowa pod red. B.F. Łomow, Wysszaja Szkoła, Moskwa RATAJCZAK Z.: Niezawodność człowieka w pracy. PWN, Warszawa CHYBOWSKI L., MATUSZAK Z.: Estimation of unavailability of main power plant fuel supply system installed onboard seabed exploring offshore vessel. Journal of Explo-Diesel & Gas Turbine 05, IV International Scientifical-Technical Conference. WOiO Politechnika Gdańska, Gdańsk 2005, CHYBOWSKI L.: Usefulness of selected analytical algorithms for calculation of unavailability of marine power plant auxiliary systems. Надежность и Эффективность Технических Систем. Международный Сборник Научных Трудов. KGTU, Kaliningrad 2005, Recenzent: dr hab. inż. Andrzej Grządziela profesor Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni Zeszyty Naukowe 19(91) 23

24 Scientific Journals Maritime University of Szczecin Zeszyty Naukowe Akademia Morska w Szczecinie 2009, 19(91) pp , 19(91) s Nieznana historia oznak Marynarki Wojennej Unknown history of Polish Navy patches Grzegorz Ciechanowski Uniwersytet Szczeciński, Wydział Humanistyczny, Katedra Badań nad Konfliktami i Pokojem Szczecin, ul. Krakowska 71/79, gc57@op.pl Słowa kluczowe: Marynarka Wojenna, mundur, oznaki Abstrakt W artykule przedstawiono proces opracowania i wdrożenia w okresie oznak przeznaczonych dla załóg jednostek Marynarki Wojennej. Autor opisuje tradycje wojskowych odznak pamiątkowych w Wojsku Polskim, przyczyny odstąpienia od nich w okresie PRL, historię odrodzenia ich idei po 1989 r. wraz z pierwszymi próbami czynionymi na tym polu od początku lat osiemdziesiątych. Główną część materiału zajmuje opis procesu opracowania odznak i oznak dla załóg okrętów Marynarki Wojennej, realizacji pomysłu oraz rezultatów i emocji, jakie budziły wśród marynarzy. Oznaki, choć pierwotnie pomyślane jako pamiątkowe emblematy, zostały zaadoptowane przez marynarzy jako ich własne wyróżniki. Część z nich trafiła na mundury, stając się ich widocznym elementem. Key words: Polish Navy, uniform, patches Abstract The article describes the project creating Polish Navy patches in the period They were designed and directed immediately to crews of vessels and shipborne forces consist of auxiliary vessels, cutters and motorboats, etc. Author starts with information about Polish military traditions concerning military badges and sources of the patches idea. The next part presents history of project realization and stress the effects. Part of the patches was adopted by crews and became official element of seaman s uniform. The patches were in use only for two years and therefore it is rather unknown details of Polish Navy history. Wstęp Od wieków wśród wojskowych całego świata istnieje niezwykle silna chęć podkreślenia odrębności nie tylko własnej państwowości, ale i rodzaju broni, w której służą oraz charakteru własnej jednostki. Efekty tego możemy obserwować chociażby podczas różnych świąt państwowych, dostrzegając wiele rodzajów mundurów tej samej przecież armii. To zjawisko definiowane jest często jako esprit de corps duch koleżeństwa, który był kluczowym elementem dumy z przynależności do danej formacji w okresie międzywojennym. Tego poczucia wyjątkowości nie dało się wyplenić w okresie PRL. Funkcjonowało bardziej w personalnych postawach wielu żołnierzy, szczególnie elitarnych rodzajów służby, aniżeli w jakiejkolwiek oficjalnej formie. Obowiązywała zresztą wówczas inna idea. Duch ten odrodził się wyraźnie po uzyskaniu przez nasz kraj suwerenności, czego następstwem stało się m.in. przejęcie międzywojennych tradycji przez współczesne Wojsko Polskie. W okresie PRL komunistyczne władze, jak również dowództwa wysokiego szczebla, niechętnie patrzyły na wszelkie próby upodmiotowienia służby wojskowej. Żołnierze posługiwali się jedynie kodem jednostek wojskowych składającym się ze skrótu JW oraz kombinacji czterech cyfr i najczęściej nie znali nawet pełnej nazwy swojej jednostki. W myśl rozdętej tajemnicy wojskowej mundur pozostawał najczęściej anonimowy, bez żadnych oznak wyróżniających dany pułk czy batalion 1. 1 Faktem jest, że w tym okresie na mundurze znaleźć można było wiele elementów podkreślających kolektywne aspekty służby: odznaki Wzorowy Żołnierz, 24 Scientific Journals 19(91)

25 Nieznana historia oznak Marynarki Wojennej Tymczasem wśród wielu żołnierzy istniała wspomniana tendencja wyróżnienia się choćby detalem na tle anonimowej masy. Liczne przykłady takiej chęci podkreślenia odrębności można zaobserwować od połowy lat siedemdziesiątych XX wieku. Miały one charakter nieoficjalnych eksperymentów na mundurach pojawiały się odznaki przynależności do konkretnego pułku czy dywizjonu, zrazu bardzo skromne, nie ujęte w żadnym oficjalnym dokumencie, ale łatwo rozpoznawalne w zamkniętym wojskowym środowisku. Dopiero przemiany ustrojowe w Polsce spowodowały prawdziwą lawinę pomysłów i projektów, z których część urzeczywistniła się w postaci odznak czy oznak konkretnych jednostek wojskowych. W latach narodziła się w zaskakujących okolicznościach seria oznak przedstawiających początkowo okręty MW RP, przeznaczona głównie dla kolekcjonerów. Pomysł jednakże okazał się na tyle atrakcyjny dla załóg jednostek pływających, że część z nich trafiła na marynarskie mundury i pozostawała na nich nawet po wprowadzeniu oficjalnego emblematu Marynarki Wojennej w 1999 r. Na czym polegał ten fenomen? Na to pytanie stara się odpowiedzieć niniejszy materiał. Tradycje wojskowych odznak pamiątkowych W okresie II RP honorem każdej formacji wojskowej było opracowanie i wybicie własnego, niepowtarzalnego znaku, noszonego zazwyczaj na lewej kieszeni kurtki munduru 2. Takie odznaki posiadały pułki piechoty, kawalerii, ale również załogi okrętów. Bywało, że jedna jednostka miała kilka znaków, często różniących się znacznie od siebie. Powodowało to nieporozumienia i brak jednolitości, tak bardzo nielubiany przez wojskowych. Ten stan rzeczy skłonił władze wojskowe II Rzeczypospolitej do uporządkowania systemu tworzenia, nadawania i noszenia znaków pamiątkowych w wojsku. 5 maja 1920 r. ukazał się rozkaz nr 40 Naczelnego Dowództwa rejestrujący 70 różnych metalowych odznak pamiątkowych noszonych przez żołnierzy WP. Od 1921 r. zatwierdzenie Wzorowy Dowódca, Drużyna służby Socjalistycznej i inne. Na próżno jednak można by szukać pamiątkowych odznak jednostek za wyjątkiem 1. Dywizji Zmechanizowanej, tej wywodzącej swój rodowód spod Sielc nad Oką. 2 Nawiasem mówiąc tradycję tę przenieśli m.in. żołnierze odrodzonego Wojska Polskiego wywodzący się z armii zaborców. Największą kreatywnością na tym polu, czerpaną np. z inspiracji płynących z dotychczasowych doświadczeń, wykazywali się byli oficerowie wojska rosyjskiego. odznak pamiątkowych zaczęto ogłaszać w Dziennikach Rozkazów Ministerstwa Spraw Wojskowych. Podczas II wojny światowej jednostki Polskich Sił Zbrojnych na Zachodzie posiadały własne odznaki pamiątkowe, a niektóre odtworzone oddziały zachowały znaki przedwojenne. Wielu żołnierzy wywodzących się z przedwojennego wojska, a służących w kontrolowanej przez komunistów 1. i 2. Armii WP nosiło w początkowym okresie odznaki pamiątkowe swoich starych jednostek, które jakimś cudem ominęły sowieckie, bądź hitlerowskie sita. Po wojnie w kraju zaniechano i tej tradycji. Wyjątkiem była 1. Dywizja Zmechanizowana im. Tadeusza Kościuszki ze swoją charakterystyczną odznaką. W całej armii przestrzegano zasady anonimowości wojska i nie stosowano żadnych wyróżników jednostek. Tłumaczono to tajemnicą wojskową rozdętą do paranoicznych wręcz rozmiarów, ale chodziło przede wszystkim o powstrzymanie wszelkich prób indywidualizowania się, tak niemiłego obowiązującej wówczas ideologii. W oddziałach i pododdziałach zachodził jednak proces odwrotny od oczekiwań góry. Żołnierze chcieli zaznaczyć się na tle szarej (zielonej) masy mundurów, dlatego pojawiły się pierwsze skromne jeszcze odznaki pamiątkowe jednostek. Zaczęło się w lotnictwie. Jedną z pierwszych odznak w 1973 r. wybił 61. Lotniczy Pułk Szkoleniowo-Bojowy w Białej Podlaskiej z okazji 15-lecia powstania jednostki. Był to sygnał dla zapaleńców tej idei. Wkrótce pojawiło się wiele odznak bojowych pułków i jednostek logistycznych wojsk lotniczych i WOPK 3, często niedopracowanych i niskiej jakości. Ponieważ czterocyfrowa kombinacja po literach JW" była jedynym i dopuszczonym do publicznego obiegu wyróżnikiem oddziału wojskowego, niektórzy projektanci znaków próbowali w jego rysunku kodować najczęściej tajny numer (np. 12. Dywizjon Trałowców), bądź też inne informacje o jednostce 4. W Marynarce Wojennej odznaki pamiątkowe pojawiły się później. Za pierwszy pamiątkowy wyróżnik bojowego okrętu trzeba chyba uznać odznakę pierwszej załogi ORP Orzeł III (klasy Kilo) z 1986 r., wykonanej zresztą na mistrzowskim, i to światowym 3 WOPK Wojska Obrony Przeciwlotniczej Kraju. 4 Na odznace 3. Pułku Myśliwsko-Bombowego z Bydgoszczy stylizowany orzeł miał wyraźny kształt trójki, na odznace 40. Pułku Lotnictwa Myśliwsko-Bombowego projektant postarał się o to, aby na poziomej belce skrzydła husarskiego umocowane były 4 pióra, a na pionowej 10. Podobnie zakodowano odznakę 9. Pułku Lotnictwa Myśliwskiego z Debrzna, gdzie czubek osłony radarowej MiGa-21 wskazuje na stylizowanej mapie położenie tej miejscowości. Zeszyty Naukowe 19(91) 25

26 Grzegorz Ciechanowski poziomie, przez grawera Zygmunta Olszewskiego [1]. Przełom nastąpił w 1991 r., kiedy to pierwsze jednostki otrzymały prawo dziedziczenia bogatych tradycji bojowych wojskowych okresu II RP i Polskich Sił Zbrojnych na Zachodzie. Pojawiło się, podobnie jak po uzyskaniu niepodległości w 1918 r., mnóstwo wojskowych wyróżników. Dopiero Zarządzenie Ministra Obrony Narodowej Nr 28/MON z dnia 21 maja 1996 r. narzucało ramy organizacyjne temu zjawisku. Zostały tam określone m.in. kształty i barwy odznak i oznak pamiątkowych, sposoby przyznawania i noszenia ich na mundurach. W ramach polityki ujednolicania oznak wojskowych, w drugiej połowie 1999 r. ukazał się haftowany emblemat, który stał się oficjalną oznaką Marynarki Wojennej. Obok metalowych odznak, często bardzo drogich, bo wykonywanych przez prawdziwych mistrzów, pojawiły się nieznane wcześniej oznaki (naszywki) symbolizujące daną jednostkę. Ten niezwykle tani element symbolizujący jednostkę, drukowany bądź haftowany na materiale i noszony najczęściej na rękawie munduru, praktycznie nieznany w Wojsku Polskim II RP, spopularyzowali podczas II wojny światowej pragmatyczni Amerykanie, choć takich oznaczeń używały też m.in. wojska brytyjskie i niemieckie. Niespodziewane narodziny projektu Na przełomie lat 1995/1996 autor niniejszego artykułu oddelegowany został z rodzimego 4. Kołobrzeskiego Pułku Artylerii na praktykę w Amerykańskiej Misji Wojskowej, która miała swoją siedzibę w Departamencie Wojskowych Spraw Zagranicznych MON w Warszawie. Grupa polskich oficerów łącznikowych pomagała amerykańskim kolegom w nawiązywaniu pierwszych kontaktów z instytucjami i jednostkami wojskowymi w kraju. Kilku Amerykanów było weteranami zakończonej niedawno wojny w Zatoce Perskiej. Jeden z nich, kpt. Kim Mc Cabe, pilot śmigłowca bojowego lotnictwa Marines, często nagabywany, wspominał swoje loty bojowe nad Kuwejtem i Irakiem. Żaden z obecnych Polaków nie brał udziału w tym konflikcie. Chcąc się jednak zrewanżować kombatancką przeszłością, amerykańskiemu weteranowi opowiedziano o udziale dwóch polskich okrętów Lech i Piast w Operacji Pustynna Burza 5. Zaskoczony pilot oświadczył, że nigdy nie słyszał o tym epizodzie i chyba powątpiewał w prawdziwość tej informacji. 5 Więcej nt. udziału Polaków w operacji Pustynna Burza: [2]. Następnego dnia niedowiarkowi pokazano wycinki prasowe i sprawa pozornie się zakończyła. Autor korespondował wówczas z wieloma kolekcjonerami militariów za granicą i ta historia zrodziła uzasadnione, jak się później okazało podejrzenie, iż oni również mogą nic nie wiedzieć o polskim udziale w operacji. Z myślą o nich autor postanowił zaprojektować emblemat, który znalazłby się w zagranicznych kolekcjach i jednocześnie ilustrowałby polski udział w operacji. W zamyśle opracowania wzoru projektu leżało takie dobranie symboli, aby jednoznacznie kojarzyły się odbiorcy z Polską i Operacją Pustynna Burza. Spośród kilku projektów najbardziej trafiony był ten przedstawiający boczną sylwetkę okrętu weterana, nałożoną na kształt bandery Marynarki Wojennej. Powyżej umieszczony został napis DESERT STORM, na dole zaś, żeby nie było wątpliwości, wielkimi literami: POLISH NAVY. Tuż pod sylwetką okrętu znalazła się jego nazwa (rys. 1). Rys. 1. Oznaka z sylwetką ORP Wodnik przeznaczona dla zagranicznych kolekcjonerów dla zaakcentowania polskiego udziału w Operacji Pustynna Burza, która stała się prototypem serii oznak liczącej ponad 200 wzorów; fot. G. Ciechanowski Fig. 1. The emblem of ORP Wodnik designed for world wide collectors for stressing of Polish participation in the operation Desert Storm. It was a pattern for over 200 Polish Navy sleeve patches; photo: G. Ciechanowski Wykonaniem kosztownego wzoru na niebieskim nubuku z użyciem dwóch nałożonych kolorów czerwonego i białego zajęła się lęborska firma STOR Henryka Żarskiego, która posiadała duże doświadczenie w produkowaniu sitodrukowych emblematów dla marynarzy. Pierwsze marynarskie naszywki opuściły wytwórnię w listopadzie 1995 r. i były przeznaczone dla marynarzy Grupy Ratownictwa Brzegowego (GRB) z Komendy Portu Wojennego (KPW) w Kołobrzegu. Znak ten, zatwierdzony przez dowódcę grupy kpt. Sławomira Muszyńskiego, stosowany był na pojazdach, a następnie w formie oznaki-naszywki trafił na mundury. Warto dodać, że po latach, z inicjatywy por. Artura Wasiewskiego z Kołobrzegu, firma HAKO wyprodukowała haftowane naszywki GRB, które wraz z sitodrukowymi noszone były do momentu rozwiązania jednostki. Również w Lęborku drukowano pierwsze sitodrukowe emblematy 16. Dywizjo- 26 Scientific Journals 19(91)

27 Nieznana historia oznak Marynarki Wojennej nu Kutrów Zwalczania Okrętów Podwodnych z Kołobrzegu. Wzór zatwierdził dowódca jednostki kmdr ppor. Bogusław Tchórzewski, a na mundurach marynarzy w formie oznaki pojawił się w październiku 1996 r. Później znak ten uprawomocnił Minister Obrony Narodowej (rys. 2). Rys. 2. Marynarz kutra 16. Dywizjonu Kutrów Zwalczania Okrętów Podwodnych z Kołobrzegu. Zwraca uwagę emblemat jednostki umieszczony nietypowo na prawym rękawie kurtki, obok oznaka 16. dkzop; fot. G. Ciechanowski Fig. 2. The seaman of 16th Anti Submarine Patrol Boat Squadron from Kolobrzeg. Note the squadron's emblem placed untypical on the right sleeve of his jacket. Beside the emblem; photo: G. Ciechanowski Kształt każdego munduru wojskowego i tego, co się na nim znajduje nigdy nie jest przypadkowy. Wiele szczegółów związanych z jego krojem, kolorem itd. związanych jest głęboko z symboliką wojskową. Szczególna rola przypada tu odznakom i oznakom. Polska Marynarka Wojenna ma na tym polu szczególnie bogate doświadczenia, które narodziły się w okresie II Rzeczpospolitej. W okresie PRL-u najbardziej charakterystycznym dodatkiem były oznaki specjalistów Marynarki Wojennej haftowane nićmi złotożółtymi dla podoficerów lub czerwonymi dla marynarzy, wprowadzone w 1952 r. i stosowane w tej formie do 1971 r. W 1973 r. weszły do użytku podobne oznaki wytłaczane z tworzywa na podkładce filcowej [3]. W drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych w wojsku panował okres wprowadzania nowych wzorów oznak. Motto idei dotyczącej wdrożenia opisywanych tu emblematów brzmiało: oznaka dla marynarza z sylwetką jego okrętu. Wzór miał być wspólny, różniący się jedynie (i aż, jak się później okazało) kształtem bocznej sylwetki i nazwą jednostki. Od początku przyjęto zasadę, że będą to oznaki pamiątkowe. Emblematy spotkały się jednak z tak dużym zainteresowaniem załóg, że część z nich nieco później pojawiła się na rękawach mundurów, jako naturalna chęć marynarzy do zaakcentowania i upodmiotowienia swojej służby na konkretnej jednostce pływającej 6. Noszący tę 6 Nawet miejsce umieszczenia naszywki na lewym rękawie munduru nie było przypadkowe lecz podyknaszywkę miał świadomość, że tylko jego załoga posiada ten jeden jedyny, niepowtarzalny wzór. Generalnie sprawę ujmując: emocje były tym większe, im mniejszą jednostkę pływającą przedstawiał dany emblemat. Prototypem całej serii stał się opisany już wcześniej, czytelny wzór naszywki z sylwetkami okrętów weteranów Pustynnej Burzy. Wielkość pozostała ta sama: naszywka miała średnicę 72 mm, zmieniły się tylko kolory. Zamiast niebieskiego zastosowano czarny, matowy nubuk, dodano trzy marynarskie barwy: żółtą (napisy), białą i czerwoną (bandera). Układ plastyczny pozostał bez zmian: centralne miejsce zajmowała bandera, z czarną boczną sylwetką okrętu. Największą trudność stanowiło naniesienie poprawnej sylwetki okrętu, bowiem jednostki pływające są stale przebudowywane. Podczas kolejnych remontów w stoczniach coś jest dodawane, zmieniane. Oznaki miały trafić do bezpośrednich użytkowników, przekłamania w kształcie sylwetki okrętu nie wchodziły więc w grę. Ten aspekt okazał się najtrudniejszy w realizacji projektu. Dotarcie do dokumentacji, szczególnie jeśli chodzi o niewielkie jednostki, było czasami nie lada wyzwaniem. Dopiero zdobycie wiarygodnego materiału i zweryfikowanie sylwetki przez porównanie zdjęć przedstawiających aktualny kształt danej jednostki pozwalało zacząć projektowanie konkretnego wzoru oznaki. Wielką pomoc okazał m.in. Jarosław Ciślak, autor monograficznego opracowania Polska Marynarka Wojenna W styczniu 1997 r. ostateczny projekt wspólnego kształtu emblematów był już gotowy. W opisie powstania tej serii emblematów autor postanowił nie kierować się chronologią. Zamazałoby to czytelność całego materiału. Temat zostanie zatem omówiony poprzez pryzmat funkcjonowania oznak na mundurach w poszczególnych jednostkach Marynarki Wojennej w okresie Flotylla Okrętów Gdynia Dużym wyzwaniem okazało się opracowanie emblematu dla marynarzy niszczyciela rakietowego ORP Warszawa 7. W marcu 1998 r. gotowy emblemat przedstawiający sylwetkę niszczyciela projektu 61 MP trafił na pokład okrętu. Zainteresował marynarzy, jednak funkcjonował jako typowa pamiątka z wojska. Podobnie rzecz się miała z emblematem dla załogi okrętu-muzeum ORP Błyskawica, który trafił do Gdyni w listopadzie towane tradycją. Przed wiekami rycerz dzierżył w prawicy miecz, a lewą trzymał tarczę z wymalowanym na niej herbem. 7 Więcej na temat ORP Warszawa : [4]. Zeszyty Naukowe 19(91) 27

28 Grzegorz Ciechanowski 1997 r. Wzbudził on duże zainteresowanie wśród marynarzy, ale jeszcze większe wśród turystów odwiedzających okręt. W czerwcu 1997 r. ukazała się oznaka okrętu podwodnego ORP Orzeł. Nie wzbudziła ona zrazu takiego zainteresowania wśród załogi jak emblematy przedstawiające sylwetki ORP Wilk i ORP Dzik, które w miesiąc później dotarły do Gdyni. Warto dodać, że Henryk Żarski wypuścił jeszcze sitodrukowy emblemat przedstawiający odznakę 3. Dywizjonu Okrętów Podwodnych, do którego należały wymienione okręty. Wcześnie, bo w lipcu 1997 r. w gdyńskim 1. Dywizjonie Okrętów Rakietowych znalazły się oznaki z sylwetkami małych okrętów rakietowych projektu 660: ORP ORP Orkan, Piorun i Grom. Od pierwszego dnia wzbudziły wielkie zainteresowanie wśród marynarzy i szybko znalazły się na marynarskich mundurach [5] (rys. 3). Rys. 3. Bosman Leśniak, we wnętrzu małego okrętu rakietowego projektu 660 ORP Orkan, obok oznaka okrętu; fot. z kolekcji M. Kluczyńskiego Fig. 3. Petty Officer Leśniak in the interior of the small missile ship ORP Orkan and the emblem beside; photo from M. Kluczyński's collection Trzy miesiące później pojawiły się oznaki przedstawiające małe okręty rakietowe projektu 205 typu Osa-I, prezentujące sylwetki boczne okrętów ORP ORP Puck, Ustka, Oksywie, Darłowo, Świnoujście, Dziwnów i Władysławowo. Od skrótu MOR zwane były przez marynarzy morkami. Pozostawały one przez lata widoczne na rękawach mundurów 8 (rys. 4). W kwietniu 1998 r. w 2. Dywizjonie Okrętów Rakietowych pojawiły się oznaki z sylwetkami bocznymi małych okrętów rakietowych projektu 1241RE ORP ORP Górnik, Hutnik, Metalo- 8 Pojawiły się również dodatki dla kolekcjonerów: kilka sitodrukowych odmian emblematu przedstawiającego odznakę dywizjonu oraz naszywki z sylwetkami kutrów ORP ORP Hel, Gdańsk, Gdynia, Kołobrzeg, Szczecin oraz Elbląg, które wycofano z linii przed narodzinami serii opisywanych oznak. Z myślą o kolekcjonerach dodano te emblematy, łatwo rozpoznawalne, bo orły na banderze były bez korony. wiec oraz Rolnik. Naszywki wzbudziły duże zainteresowanie, jednak nie przyjęły się jako wyróżnik mundurów i funkcjonują w formie pamiątek, podobnie jak naszywki z odznaką dywizjonu. Rys. 4. Starszy mat w maszynowni ORP Darłowo, obok oznaka okrętu; fot. z kolekcji M. Kluczyńskiego Fig. 4. A Leading Hand marine in the engine room of small missile ship ORP Darłowo, beside the emblem; photo from M. Kluczyński's collection 9. Flotylla Obrony Wybrzeża Hel W lutym 1998 r. na Hel trafiły emblematy przeznaczone dla załóg dużych ścigaczy okrętów podwodnych projektu 912 M wchodzących w skład 11. Dywizjonu Ścigaczy: ORP ORP Groźny, Wytrwały, Zręczny, Zwinny, Zwrotny, Zawzięty, Nieugięty, Czujny. Emblematy te od razu zostały przyjęte z dużym zainteresowaniem, a większość załóg stosowała je jako wyróżnik na mundurach (rys. 5). Rys. 5. Mechanicy ścigacza okrętów podwodnych ORP Zwinny, jednej z sześciu jednostek, których załogi nosiły oznaki z sylwetkami swoich okrętów; fot. z kolekcji M. Kluczyńskiego Fig. 5. Mechanics of anti submarine cutter ORP Zwinny. The crews of the six vessels of the same class wore emblems with shapes of their ships; photo from M. Kluczyński's collection Wcześniej, bo już w sierpniu 1997 r. opracowana została pierwsza seria oznak dla marynarzy trałowców bazowych 206 F ze składu 13. Dywizjonu Trałowców: ORP ORP: Albatros, Tukan, Flaming, Rybitwa, Mewa oraz Czajka. Te emblematy dotarły na Hel również w sierpniu 1997 r. i wszystkie znalazły się na mundurach ma- 28 Scientific Journals 19(91)

29 Nieznana historia oznak Marynarki Wojennej rynarzy dywizjonu 9. W listopadzie 1999 r. doszły nowe naszywki dla marynarzy trzech, przebudowywanych według kryteriów NATO, trałowców bazowych 206 F: ORP ORP: Rybitwa, Mewa i Czajka [6]. Zmieniony kształt kadłuba wymuszał konieczność opracowania nowego wzoru emblematu. W lutym 1997 r. przygotowana została oznaka trałowca bazowego projektu 207 D czyli ORP Gopło, a w czerwcu 1998 r. kolejne egzemplarze dla załóg trałowców bazowych projektu 207 M: ORP ORP Mamry, Wigry, Śniardwy i Wdzydze. Ta ponad roczna przerwa w ukazywaniu się pozornie podobnych wzorów spowodowana była odmiennością szczegółów sylwetek bocznych obu typów okrętów. Naszywki te również znalazły się na marynarskich mundurach (rys. 6). Wszystkie te oznaki spotkały się z przychylnym przyjęciem dowódcy jednostki kmdr. por. Henryka Białkowskiego i jego marynarzy, ale na mundury trafiła sitodrukowa naszywka przedstawiająca odznakę dywizjonu, która pojawiła się w Świnoujściu we wrześniu 1999 r. (rys. 7). We wszystkich poczynaniach wdrażających oznaki jednostki wielkiego wsparcia udzielał ówczesny oficer wychowawczy dywizjonu kmdr ppor. Wojciech Pałka 10. Rys. 6. St. bosm. Marek Jędrzejczyk w mesie ORP Tukan wchodzącego w skład 13. Dywizjonu Trałowców stacjonującego w Helu. Zwraca uwagę skromna tablica poświęcona historii okrętu; fot. G. Ciechanowski Fig. 6. Petty Officer Marek Jędrzejczyk in the mess of the mine sweeper ORP Tukan. Note the information about the vessel in the foreground and the emblem beside; photo: G. Ciechanowski 8. Flotylla Obrony Wybrzeża Świnoujście Wcześnie, bo w lutym 1997 r. do marynarzy 12. Wolińskiego Dywizjonu Trałowców stacjonującego w Świnoujściu trafiły emblematy z sylwetkami bocznymi trałowców bazowych projektu 207 P: ORP ORP Gardno, Bukowo, Dąbie, Jamno, Mielno, Wicko, Resko, Sarbsko, Necko, Nakło, Drużno oraz Hańcza. Trzy miesiące później doszły jeszcze dwie kolejne oznaki kutrów trałowych projektu B410-IVS. Były to sylwetki boczne kutrów KTT-625 i KTT Wyłącznie dla kolekcjonerów przeznaczone były następujące naszywki trałowców bazowych projektu 206 F: ORP ORP Orlik, Krogulec, Jastrząb, Kormoran, Czapla, Pelikan. W momencie tworzenia się tej serii okręty zostały już wycofane ze służby. Służyły one jeszcze pod banderą z niekoronowanym orłem. Taki właśnie jej wzór został umieszczony na emblemacie. Rys. 7. Marynarz jednego z okrętów 12. Dywizjonu Trałowców ze Świnoujścia, w którym wprowadzono oznakę z symbolem jednostki. Obok oznaka jednostki; fot. G. Ciechanowski Fig. 7. A seaman from one of 12th Mine Sweeppers Squadron from Świnoujście. The unit adopted the emblems with unit's symbol. The emblem visible beside; photo: G. Ciechanowski W grudniu 1997 r. wyszła seria przeznaczona dla marynarzy 2. Dywizjonu Transportowo-Minowego składająca się z kilku rodzajów emblematów: Okręt dowodzenia desantem projektu 776: ORP Grunwald. Warto dodać że z okazji XXV rocznicy służby okrętu wydany został specjalny emblemat; Okręty transportowo-minowe projektu 767: ORP ORP Lublin, Gniezno, Kraków, Poznań, Toruń ; Kutry transportowe projektu 716: K Tr 851, 852, Mimo że żaden z opisanych emblematów nie trafił na mundury marynarzy, to wielokrotnie pojawiały się one w życiu dywizjonu i okrętów jako ich ważne wyróżniki. Dla przykładu, w 1998 r. w duńskim Frederikshavn odbywały się ćwiczenia Cooperative Jaguar 98. Uczestniczył w nich ORP Lublin. Okręt ten realizował zadania m.in. wysa Opisując oznaki dywizjonu trałowców trzeba przypomnieć o Grupie Płetwonurków Minerów, która organicznie wchodzi w skład tej jednostki. Naszywka zaprojektowana została nieco wcześniej i w marcu 1998 r. jej egzemplarze przekazano dowódcy grupy kpt. mar. Waldemarowi Pastusiakowi. Okręty transportowe projektu 771A przedstawiające ORP ORP Janów, Rąblów, Narwik, Głogów przeznaczone dla kolekcjonerów, bo z orłami bez korony na banderach oraz ORP Cedynia dla załogi ostatniego pływającego wówczas okrętu tego typu. Zeszyty Naukowe 19(91) 29

30 Grzegorz Ciechanowski dzenia desantu szwedzkiej kompanii piechoty (posiadającej w swoim składzie pluton rosyjskiej piechoty morskiej z Bazy Floty Bałtyckiej z Kaliningradu) 12. Wielonarodowym zespołem okrętów desantowych kierował dowódca 2. dywizjonu kmdr por. Jerzy Lenda. Jednym z najbardziej podniosłych momentów, tuż po zakończeniu ćwiczeń, była wizyta duńskiej królowej Małgorzaty II na pokładzie polskiego okrętu. Komandor wręczył wówczas monarchini komplet wspomnianych emblematów (rys. 8). Rys. 8. Wizyta królowej Danii Małgorzaty II na pokładzie ORP Lublin w maju 1998 r. podczas wielonarodowych ćwiczeń Cooperative Jaguar 98 w Aarchus. W tle ówczesny dowódca 2. Dywizjonu Okrętów Trałowo-Minowych kmdr Jerzy Lenda oraz dowódca warty honorowej ORP Lublin ppor. mar. Michał Czerów z marynarzami. Podczas protokolarnego wręczenia prezentów królowej nie zabrakło zestawu oznak z sylwetkami okrętów 2. Dywizjonu Okrętów Transportowo-Minowych; fot. z kolekcji J. Lendy Fig. 8. Queen Margrethe II of Denmark visiting a transport mine-laying ship ORP Lublin during exercises Cooperative Jaguar 98 in Aarchus in May Commander of 2nd Transport Mine-Laying Squadron Capt Jerzy Lenda and commender of the board guard SLt Michał Czerów with seamen. There were presented a kit of ships emblems to then Queen as well; photo: from. J. Lenda collection Za sprawą kmdr ppor. Bogusława Tchórzewskiego, dowódcy 16. Dywizjonu Kutrów Zwalczania Okrętów Podwodnych, stacjonującego w niewielkim porcie wojennym w Kołobrzegu, opracowano i wdrożono do życia wspomnianą odznakę wybitą przez warszawskiego grawera Piotra Olka i oznakę 16. dkzop [7]. W październiku znalazła się na marynarskich mundurach i pozostała w uży- 12 ORP Lublin w planach operacyjnych Układu Warszawskiego przeznaczony był wraz z innymi jednostkami tej klasy ze Świnoujścia do wysadzenia desantu na duńskich plażach. Jak żartowali Polacy, był to jedyny polski okręt desantowy, który wypełnił postawione przed nim zadanie. ciu aż do rozwiązania jednostki. Nie przeszkodziło to we wdrożeniu projektu naszywek z sylwetką boczną jednego z kutrów będących na wyposażeniu jednostki. Pod banderą widniał symbol KZOP i odpowiedni numer. Emblematy te pojawiły się na początku 1997 r. i cieszyły się popularnością wśród załóg, ale tylko jako pamiątka z wojska. Inne jednostki pływające Po przygotowaniu pierwszej grupy emblematów nadszedł czas na opracowanie oznak przedstawiających inne jednostki pływające. Sporą trudność sprawiało zdobycie wiarygodnych rysunków sylwetek bocznych jednostek. W maju 1998 r. do załóg Dywizjonu Zabezpieczenia Hydrograficznego w Gdyni trafiły emblematy przedstawiające ORP ORP Arctowski, Heweliusz oraz oznaki ORP Kopernik 13. Przy czym oznaka dla załogi tego ostatniego okrętu wyszła w dwóch różniących się wzorach. Spowodowane to było remontem jednostki i zmianą w jej wyglądzie. Obie wersje trafiły na marynarskie mundury stając się przez ponad rok ich wyróżnikiem. W okresie od czerwca do listopada tego samego roku pojawiły się oznaki dedykowane załogom jednostek pływających Dywizjonu Okrętów Szkolno-Badawczych. Emblematy pojawiły się na mundurach marynarzy ORP ORP Wodnik, Gryf i Iskra 14. Stosunkowo późno, bo w maju 1999 r. ukazała się seria emblematów kutrów szkolnych ORP Kadet, ORP Podchorąży oraz ORP Elew, które służą w portach wojennych Gdyni, Helu i Świnoujścia Więcej na temat ORP Kopernik : [8]. Więcej na temat okrętów szkolnych: [8, 9]. Emblematy zaczęły cieszyć się coraz większym zainteresowaniem nie tylko wśród marynarzy. Chętnie gromadzili je kolekcjonerzy w kraju i za granicą. Tę grupę interesowała szczególnie polska broń podwodna. To właśnie z myślą o nich opracoano dwie serie naszywek o wyłącznie kolekcjonerskim charakterze, zachowujących standardowy kształt, z orłem bez korony na banderze. Pierwsza z nich składała się z 6 emblematów prezentujących sylwetki boczne radzieckich małych okrętów podwodnych klasy Malutka serii XV bis, które od połowy lat 50-tych do początku 60-tych XX w. pełniły podwodniacką wachtę pod polską banderą. W maju 1998 r. ukazały się emblematy z następującymi okrętami podwodnymi: ORP ORP Kaszub, Mazur, Krakowiak, Ślązak, Kujawiak i Kurp. Kilka miesięcy później ukazała się druga seria 4 emblematów z sylwetkami okrętów podwodnych projektu 613 w NATO- -wskim kodzie klasy Whiskey. Były to ORP ORP Orzeł, Sokół Kondor oraz Bielik. 30 Scientific Journals 19(91)

31 Nieznana historia oznak Marynarki Wojennej Okręty Ratownicze Obok okrętów bojowych istnieje jeszcze rodzina pomocniczych jednostek pływających (PJP). Ta odrębność podkreślana jest między innymi posiadaniem własnej bandery PJP. Podczas wizyty autora projektu na kołobrzeskim kutrze ratowniczym OR Zbyszko, jego dowódca chor. mar. Dariusz Polkowski bardzo zainteresował się oznakami dla marynarzy, ale zastrzegł sobie, aby na emblemacie pojawiła się wspomniana bandera. To życzenie stanowiło dla producenta wielkie wyzwanie. Na banderze PJP znajduje się m.in. bardzo pomniejszona sylwetka godła państwowego. Na oznace ma ono 55 mm. Nie było wiadomo czy producent poradzi sobie z problemem umieszczenia tak niewielkiego, a przecież skomplikowanego i bardzo ważnego szczegółu. Okazało się, że zastosowanie drobnych sit i wykorzystanie zdobytych już doświadczeń przyniosło satysfakcjonujące efekty. Na początku października 1997 r. załoga OR Zbyszko i bliźniaczego OR Maćko otrzymała gotowe emblematy (rys. 9). Entuzjastycznie przyjęte trafiły na mundury już następnego dnia, dopiero później dopełniono niezbędnych formalności. Załoga OR Maćko używała następnie nowej, haftowanej oznaki projektu por. Artura Wasiewskiego. Rys. 9. Dowódca OR Zbyszko chor. mar. Dariusz Polkowski z naszywką okrętu na rękawie; foto. G. Ciechanowski Fig. 9. Commander of vessel OR Zbyszko Mid. Dariusz Polkowski with the emblem on the sleeve; photo: G. Ciechanowski Podobnie rzecz się miała z marynarzami kutrów ratowniczych projektu R-30 podległych pod komendy portów wojennych Świnoujścia oraz Helu. W kwietniu 1998 r. do świnoujskich marynarzy OR Bolko trafiły oznaki, które znalazły się na rękawach ich mundurów. Na zacumowanym kilka metrów dalej bliźniaku OR Semko emblemat pozostał jedynie pamiątką z wojska. Trzecia siostrzana jednostka OR Gniewko stacjonowała na Helu. Okazało się jednak, że jeden szczegół zdyskwalifikował ten emblemat. Podczas ostatnich remontów usunięto z pokładu okrętu łódź roboczą, widoczną na emblemacie. Dowódca jednostki oświadczył, że interesuje go jedynie kształt okrętu po ostatniej modernizacji. Trzeba było więc opracować nową, nieznacznie zmienioną sylwetkę. Naszywka ta znalazła się ostatecznie na mundurach marynarzy OR Gniewko 16. Warto dodać, że marynarze Komend Portów Wojennych (KPW) również zainteresowani byli własnymi emblematami. W październiku 1998 r. ukazały się sitodrukowe naszywki KPW Hel i KPW Kołobrzeg. Ta ostatnia za sprawą komendanta kmdr ppor. Pawła Kusza stała się oficjalną oznaką, zastąpioną wkrótce przez jej haftowany wariant. W tym samym czasie wydrukowana została również oznaka 42. Dywizjonu PJP, która doczekała się swojej haftowanej wersji. Zbiornikowce W kwietniu 1998 r. pojawiła się oznaka przeznaczona dla marynarzy zbiornikowca paliwowego projektu ZP-1200 Bałtyk. Nie trafiła on jednak na mundury marynarzy. Inaczej rzecz się miała z oznakami dla załóg zbiornikowców paliwowych projektu B199 Z-3 i Z-8 oraz zbiornikowca wodnego projektu ZW2 Z-9. Dwa pierwsze stacjonowały w Świnoujściu i na Helu. Emblematy znalazły się na mundurach helskich marynarzy. Załoga gdyńskiego Z-9 przeznaczonego do transportu słodkiej wody stosowała emblemat jako oznakę na mundurach. Warto dodać, że sylwetki trzech zbiornikowców były niemal identyczne, różniły się jedynie typem uzbrojenia. Z-3 wyposażony był wówczas w podwójnie sprzężone automatyczne 25 mm armaty przeciwlotnicze M-3M, natomiast Z-8 i Z-9 posiadały zestawy 223 mm armat ZU-23-2M Wróbel-I i ten szczegół o wymiarach 22 mm musiał zostać uwidoczniony na owych emblematach. Stacje demagnetyzacyjne, poławiacze torped W styczniu 1998 r. do marynarzy stacji demagnetyzacyjnych (SD) w Gdyni, Świnoujściu i na Helu trafiły odpowiednio emblematy SD-11, SD-12 i SD-13. W przypadku załogi SD-12 noszone były one na mundurach. W pozostałych jednostkach były jedynie okolicznościową pamiątką. W tym wypadku również uwzględniony został szczegół ukazujący różne uzbrojenie jednostek. SD-12 dysponowała 123 mm armatą ZU-23-2M Wróbel-I, pozostałe dwie 225 mm armatami 2M-3M. Podobna odmienność w uzbrojeniu zazna- 16 Fotografia wykonana przez M. Kluczyńskiego przedstawiająca marynarza z tą oznaką na mundurze ukazała się w [10]. Zeszyty Naukowe 19(91) 31

32 czona została na rysunkach sylwetek bocznych poławiaczy torped. W lipcu 1998 r. otrzymali je marynarze obu jednostek tego typu: K-8 i K-11. Załoga tego ostatniego nosiła je na mundurach. Grzegorz Ciechanowski Holowniki Wcześnie, bo już w grudniu 1997 r. gotowe były nowe emblematy dla pierwszych załóg holowników portowo-redowych projektu B820 z 1993 r. H-9 z Kołobrzegu i jego bliźniaka H-10, który pełnił służbę w porcie świnoujskim. Załogi obu jednostek zaakceptowały naszywkę jako oficjalną oznakę, noszoną na rękawach mundurów marynarzy H-9 (rys. 10). Rys. 11. Marynarz na tle holownika H-20 z widoczną naszywką na rękawie kurtki; fot. G. Ciechanowski Fig. 11. A seaman of the tow boat H-20 with the emblem on the sleeve; photo: G. Ciechanowski Rys. 10. Marynarze w sterówce holownika H-9 podczas wykonywania manewrów w niewielkim basenie portu wojennego w Kołobrzegu; fot. G. Ciechanowski Fig. 10. The crew of the tow boat H-9 maneuvering in the naval harbor Kolobrzeg; photo: G. Ciechanowski W tym samym okresie do marynarzy trafiły kolejne emblematy. Pierwszą grupę odbiorców stanowiły załogi holowników projektu B65, prawdziwych weteranów portowej służby: H-12 dowodzony przez chor. Romana Stachurskiego na Helu i H-20 w Świnoujściu 17. Marynarze zdawali sobie sprawę, że ich wysłużone jednostki dokańczają swojego pracowitego żywota. Dlatego być może tak ochoczo zaakceptowali oznaki i naszyli na rękawy swoich mundurów (rys. 11). W tym samym czasie pojawiły się emblematy holowników portowo-redowych projektu H-900/II. Stacjonowały one od 1980 r. odpowiednio: H-3 na Helu, H-4 w Świnoujściu, H-5 oraz H-7 w Gdyni. Naszywki te w przypadku H-4 oraz H-7 znalazły się na rękawach mundurów (rys. 12). Kolejna grupa oznak tej serii ukazała się na wiosnę 1998 r. W marcu w Lęborku wydrukowano oznaki dla załóg bliźniaczych holowników portowo-redowych H-800/IV: w obu wypadkach mary- Rys. 12. Marynarz na tle holownika H-4 w porcie wojennym 8. Flotylli Obrony Wybrzeża; fot. G. Ciechanowski Fig. 12. A seaman of the tow boat H-4 in the naval harbor of 8th Coastal Defense Flotilla; photo: G. Ciechanowski narze helskiego H-1 i świnoujskiego H-2 dowodzonego przez st. chor. Arkadiusza Kąkolewskiego nosili emblematy na mundurach (rys. 13). W kwietniu ostatnie dwie naszywki, pozostających w służbie od 1992 r., helskiego H-6 i gdyńskiego H-8, zakończyły edycję holowników. Rys. 13. Marynarz na tle kolejnego świnoujskiego holownika H-2 należącego do 42. Dywizjonu PJP; fot. G. Ciechanowski Fig. 13. A seaman of the tow boat H-2 of 42nd Vessels Squadron; photo: G. Ciechanowski Pozostałe Pomocnicze Jednostki Pływające 17 Podniesienie bandery nastąpiło w wypadku H-12 3 stycznia 1964 r., H marca 1964 r. Przeznaczone były do zadań ratownictwa morskiego, zabezpieczenia logistycznego portu, asysty wejść do portów dużych jednostek. W marcu 1998 r. ukazała się seria oznak z boczną sylwetką motorówki cumowniczej projektu M-35/MW, która jest mniejszym bratem holowników. Te niewielkie jednostki służyły wówczas w portach wojennych w Gdyni ( M-5, M-22 ), 32 Scientific Journals 19(91)

33 Nieznana historia oznak Marynarki Wojennej Helu ( M-29 ) i Świnoujściu ( M-12, M-21, M-30 ). W tym samym miesiącu ukazała się jedna z ostatnich odmian naszywek, przedstawiająca wybraną wersję kutra projektu B447. W skład tej serii wchodziły kutry z KPW Gdynia: K-2, K-4, K-5, K-9, K-10, K-13, KPW Hel: K-12 oraz KPW Świnoujście: K-1, K-7 i K W Świnoujściu emblematy te stały się oficjalnym elementem marynarskich mundurów (rys. 14). Marynarki Wojennej! Po takim oświadczeniu, pełnym autentycznego poczucia dumy z niezbyt imponującej przecież jednostki, autor postanowił, że zdobędzie rysunki boczne jej sylwetki, niezbędne do zaprojektowania oznaki. Tak się też nie bez trudności stało i w listopadzie 1998 r. do marynarzy trafił gotowy emblemat, pozostający długo na marynarskich kurtkach (rys. 15). Rys. 14. Dumnie wyprostowany marynarz motorówki cumowniczej M-12, widocznej na drugim planie; fot. G. Ciechanowski Fig. 14. A proudly upright seaman of the motor boat M-12 wisible in the background; photo: G. Ciechanowski Ostatnim wyzwaniem stało się zaprojektowanie emblematów dla członków załóg barek, którzy z zainteresowaniem i nutą zazdrości oglądali kolejne oznaki przeznaczone dla kolegów z innych poważniejszych jednostek. Trudność w zaprojektowaniu takich oznak była podwójna: po pierwsze w kilku wypadkach nie znano producenta barek, nie było zatem dokładnych planów niektórych jednostek, po drugie zaś sam ich kształt był wyjątkowo nieproporcjonalny. Boczna sylwetka barki to najczęściej długi, raczej płaski obiekt, który zajmować miał jedynie dolną, wąską część bandery PJP na emblemacie. Pomimo tych zastrzeżeń ukazały dwa rodzaje naszywek. Pierwszy w Kołobrzegu w marcu 1998 r. dla załogi barki paliwowej projektu BPZ-500A/MW. Emblemat ten, przekazany dowódcy B-3 bosm. Antoniemu Szczubełkowi przyjęty został z entuzjazmem przez załogę i przez wiele lat noszony był na mundurach. Drugi znak tej serii to emblemat przeznaczony dla załogi barki towarowej B-9, zbudowanej w 1954 r., na której banderę PJP podniesiono dopiero 9 października 1970 r. Wykorzystywana była do transportu ładunków masowych i drobnicowych. Kiedy autor spotkał się pierwszy raz z załogą, dowódca bosm. sztab. Krzysztof Rutkowski oświadczył, że to tylko barka, ale zaraz dodał, że to najdłuższa jednostka Rys. 15. Marynarz przy dzwonie okrętowym barki B-9, może nie najważniejszej, ale najdłuższej ówcześnie jednostki pływającej Marynarki Wojennej, co podkreślił jej dowódca bosm. sztab. Krzysztof Rutkowski; fot. G. Ciechanowski Fig. 15. A seaman of the barge B-9 ringing. B-9 was maybe not the greatest but the longest unit of Polish Navy. The fact was stressed by her commander Petty Officer Krzysztof Rutkowski; photo: G. Ciechanowski Podsumowanie Ponad rok trwała niezwykle intensywna praca nad realizacją projektu opracowania oznak przeznaczonych bezpośrednio dla załóg jednostek pływających. U jego podstaw legło przygotowanie jednego wspólnego wzoru dla kolejnych odmian oznaki. Wzorzec stanowiła mierząca 72 mm naszywka z czarnego nubuku, na którym pojawił się kształt bandery MW RP (w późniejszych wydaniach także bandery Pomocniczych Jednostek Pływających) z napisem Marynarka Wojenna. Na tle bandery widniała sylwetka konkretnej jednostki pływającej, a pod nią jej nazwa. Trzymając się tego założenia zaprojektowano i wykonano ponad 200 różnych oznak przeznaczonych dla załóg oraz kolekcjonerów 19. Kilkadziesiąt z nich zostało zaakceptowanych przez marynarzy jako własny znak i na okres około dwóch lat trafiło na rękawy ich mundurów, stając się widocznym elementem wyróżniającym przynależność marynarza do załogi określonej jednostki pływającej. Emblematy te pełniły rolę oficjalnego wyróżnika marynarskich mundurów do połowy 1999 r., kiedy decyzją ministra obrony narodowej wprowadzono wspólną dla wszystkich oznakę Marynarki Wojennej RP. 18 Część z tych jednostek to kutry i motorówki hydrograficzne. Więcej na temat jednostek PJP: [11]. 19 Pełen niemalże zestaw opisywanych oznak Marynarki Wojennej w: [12]. Zeszyty Naukowe 19(91) 33

34 Grzegorz Ciechanowski Tabela 1. Wykaz załóg stosujących oznaki jednostek w okresie [12] Table 1. The crews using emblems in the period [12] Nazwa jednostki Polish Navy unit 1. Dywizjon Okrętów Rakietowych, Gdynia Dywizjon Zabezpieczenia Hydrograficznego, Gdynia Nazwa okrętu Vessels Wejście do służby Beginning of duty Załoga okrętu Crew projekt 205: małe okręty rakietowe ORP Puck, Ustka, Oksywie, Darłowo, Świnoujście, Dziwnów, Władysławowo projekt 660: małe okręty rakietowe ORP Orkan, Piorun i Grom projekt 861: ORP Kopernik ORP Iskra Dywizjon PJP, Gdynia projekt H 900/II: holownik H projekt 912 M: ścigacze okrętów podwodnych ORP Groźny, Wytrwały, 11. Dywizjon Ścigaczy, Hel Zręczny, Zwinny, Zawzięty, Czujny 13. Dywizjon Trałowców, Hel 43. Dywizjon PJP, Hel 42. Dywizjon PJP, Świnoujście KPW, Kołobrzeg projekt 206 F: ORP: Albatros, Tukan, Flaming, Rybitwa, Mewa, Czajka projekt 207 D: ORP Gopło projekt 207 M: ORP Mamry, Wigry, Śniardwy, Wdzydze projekt ZW2: Z projekt B65: holownik H projekt B208: Stacja demagnetyzacyjna SD OR Gniewko projekt B65: holownik H projekt H-900/II: holownik H projekt H-800/IV: holownik H projekt B820: holownik H projekt M-35/MW: M-12, M-21, M projekt B447: K-1, K-7 i K projekt nieznany: B projekt B823: OR Zbyszko, OR Maćko projekt B820: holownik H projekt: BPZ-500A/MW: B To nowe rozwiązanie nie budziło już takiego emocjonalnego odzewu, szczególnie wśród członków niewielkich liczebnie załóg. Stąd zdarzały się przypadki, że już po wprowadzeniu jednego wzorca te własne oznaki można było spotkać jeszcze na rękawach marynarskich kurtek. Dziś ten element można znaleźć na fotografiach przedstawiających personel jednostek pływających, baz i komend portów wojennych Gdyni, Helu, Świnoujścia i Kołobrzegu. Niewielu, zapewne poza marynistami, pamięta dziś o tym epizodzie w warunkach zmieniających się ciągle struktur i nowych wyzwań, przed jakimi staje dziś Marynarka Wojenna. Artykuł stanowi pierwszą próbę uporządkowania tematu i przypomina najważniejsze związane z tym fakty i anegdoty. 3. WEŁNA M.: Odznaki i oznaki Ludowego Wojska Polskiego. Wrocław 1989, CIESIELSKI CZ., PATER W., PRZYBYLSKI J.: Polska Marynarka Wojenna Warszawa 1992, CIŚLAK J.: Naszywki na mundury dla załóg okrętów. Morza i okręty 1998, Nr 1, Marynarka Wojenna RP. Informator pod red. W. Kiss- Orskiego. Warszawa 2005, BINENTAL W.A.: Polskie okręty wojenne Victoria (Australia) KOMOROWSKI A.: Okręty szkolne Polskiej Marynarki Wojennej Warszawa 1999, DAMSKI Z.: ORP Wodnik. Warszawa WYGNAŁ K.: Zapracowany jak Gniewko. Bandera 1999, Nr 4, CIŚLAK J.: Polska Marynarka Wojenna Warszawa 1995, SAWICKI Z., WIELECHOWSKI A.: Odznaki Wojska Polskiego Warszawa 2004, Bibliografia 1. OHDE A.D.: Polska falerystyka marynistyczna. Poznań 2001, CIECHANOWSKI G.: Polskie Kontyngenty Wojskowe w operacjach pokojowych Toruń 2010, Recenzent: prof. dr hab. Cezariusz Skuza Uniwersytet Szczeciński 34 Scientific Journals 19(91)

35 Scientific Journals Maritime University of Szczecin Zeszyty Naukowe Akademia Morska w Szczecinie 2009, 19(91) pp , 19(91) s Genetically modified soya ground grain in feed production Rola genetycznie modyfikowanej śruty sojowej w produkcji pasz Beata Drzewieniecka Akademia Morska w Szczecinie, Wydział Inżynieryjno-Ekonomiczny Transportu Instytut Inżynierii Transportu Szczecin, ul. H. Pobożnego 11, drzewbea@interia.pl Key words: feed, genetically modified plants, soya ground grain Abstract The development of biotechnology has essential influence on obtaining new varieties of plants commonly grown in the world for consumption and as raw materials for the feed industry. The application of new techniques permits modifying plants as regards the quality and quantity content of raw materials and products obtained from them. Słowa kluczowe: pasze, rośliny genetycznie modyfikowane, śruta sojowa Abstrakt Rozwój biotechnologii ma znaczący wpływ na otrzymywanie nowych odmian roślin, uprawianych powszechnie na świecie w celach spożywczych i jako surowce dla przemysłu paszowego. Zastosowanie nowych technik pozwala na modyfikację roślin pod względem składu jakościowego i ilościowego pozyskiwanych z nich surowców i produktów. Introduction Genetically modified products, appearing more and more frequently in our market, evoke a lot of consumers reservations and remarks. In spite of much research these products did not show any negative effect of GMO on the environment or on man. Most assertions about the safe application of genetically modified plants for the production of feed and feeding animals do not reach society s awareness throughout the world. In European Union countries, where there is quite strong social pressure for prohibiting or restricting GMO application, legal regulations have been created concerning growing, application and transporting those plants. These regulations clearly stress that products containing more than 0.9% GMO must be marked as genetically modified organisms [1]. Genetically modified vegetable organisms are divided into several groups depending on the properties introduced or modified. These are varieties [2]: in which growing and harvesting properties have been improved, with their chemical composition changed to enhance their properties as an industrial raw material or food product, of crop plants accumulating large amounts of chemical substances useful for the pharmaceutical or chemical industry, with improved dietary and sanitary properties of the crop, of plants producing energy resources. In Poland, due to the awareness of the high quality of produced food as compared with the highly processed food from highly developed countries, the use of GMO feed and GMO- -originated sowing material have been prohibited by legal act, which creates quite big difficulties in importing the basic raw material for feed Zeszyty Naukowe 19(91) 35

36 Beata Drzewieniecka production, that is soya ground grain, which emerges in result of soya seed extraction. It is characterised by high nutritive value due to the high protein content ranging from 44 to 50% and an exceptionally favourable, from the nutritional point of view, amino-acid composition, as compared with other kinds of vegetable feed. It is currently the basic protein source in fodder and has an over 50% share among other oil plant seeds in the world s oil industry, where ground grain is a useful by-product. In the world, the USA in particular, soya ground grain is the main vegetable protein source used in animal feeding. It is accepted as a comparative standard when assessing the usefulness of other kinds of vegetable protein feed. In sales of goods post-extraction soya ground grain plays the biggest part as the best high-protein component of feed mixtures, because of lysine the indispensable amino acid present in its protein; for this reason, it can replace animal protein. In countries of the world s forefront producing soya ground grain: Argentina, the USA and Brazil the overwhelming majority of soya comes from genetically modified cultivation. It is similar in other soya-producing countries; currently, 95% of the world s export of soya seeds and soya ground grain is made up by GMO products, and only 5.5 million tons of soya ground grain sold in the world comes from genetically unmodified seeds [2]. According to ASA (American Soybean Association) data, over 150 million tons of soya ground grain is annually used in the whole world [3]. Most genetically unmodified ground grain is consumed by European Union countries the yearly import to EU countries equalled about 5 million tons in 2007, whereas total ground grain consumption in the EU was about 35 million tons, from which it can be concluded that the amount of non-gmo equals about 13% [4]. In addition, it can be noticed that this amount will be subject to decrease, as the supply of seeds and genetically unmodified ground grain may decrease. The controversial opinions concerning GMO are certainly based on the reliability of genetic methods, safety of using genetically modified food and feed, threat to the environment and the risk of gene flow, called biothreat (fig. 1). The obligation to mark groceries containing over 0.9% GMO made it necessary to control the presence of GMO in products on the markets, as also in components used for production. In soya varieties commonly grown in the world the protein content equals about 40%, and that of raw fat 19%. US growers engaged in genetic improvement have already obtained a soya variety deviating from this assumption by about 2% [1]. In spite of open reservations, European countries have accepted genetically modified soya from the USA. Soya is the first genetically modified plant; it depends on institutions permitting the growing and use of soya for food production, whether novel plants with strange genes will appear in the world market. GMO biothreats gene transfer between various kinds acquiring resistance to factors introduced into GMO by other organisms risk of food allergies caused by GMO vegetable products risk to environment on the part of GM plant cultivation Fig. 1. Main biothreats of genetic modification Rys. 1. Główne biozagrożenia genetycznej modyfikacji According to ACNFP The Advisory Committee on Novel Foods and Processes, it is not possible to estimate the risk borne by mutated soya bean and what long-lasting health effects and changes in the environment may be caused by genetic engineering [5]. Due to the ever growing demand for feed, production and its turnover requires constant monitoring with regard to health protection of humans and animals, as well as environment protection. The modern approach to ensuring food and feed safety in EU countries is based on control at all stages of the food production chain in accordance with the principle from field to table [3] starting from production of raw materials, their processing, storage, transport, up to the final product. Ever more attention is paid to methods of obtaining raw materials as the elements decisive about feed properties and qualities directly affecting the animals health and in further production chain stages people s health. The ISO standard, published in 2006, contains requirements for organisations in the food chain and is directed to producers of food, feed and additives, as well as to farmers and retailers. Poland s integration with European Union countries and market requirements has created for feed producers new tasks of improving the quality of feed industry products. The binding principle is to produce safe food of animal origin using safe industrial feed. 36 Scientific Journals 19(91)

37 Number of soya ground grain samples Genetically modified soya ground grain in feed production The basic document of nutritional safety in Poland is the uniform text of the Act of 25 th August 2006, which replaced the 2001 Act on sanitary conditions of food and nutrition [6]. This Act and executive regulations are strictly harmonised with the EU s food laws embracing the White Book on Food Safety including assumptions of the new food safety strategy, Regulation (EC) No. 178/2002 of the European Parliament and the Council of Europe of 28 th January 2002 and 147 directives in force in the EU [7]. New statutory solutions in the scope of securing the safety and sanitary quality of food lay stress on a system of internal control in the whole chain of food production, in particular at the stage of primary production and take account of feed requirements including its production and application in the range of being intended for feeding animals assigned for food production. Regulation EC No. 178/2002 established the general principles and requirements of food law, called into being the European Food Safety Authority and laid down procedures in the range of food, providing the basis for implementing the basic goal of food law, which is a high level of people s and animals health protection. This regulation standardises Union requirements taking account of the responsibility principle in the scope of food and feed. Food and feed control in the EU at all stages of production, implementation principles and observation of hygiene will be performed in accordance with standardised legal regulations published in the Official Journal of European Communities covering regulations of 29 th April 2004 and concerning: hygiene of foodstuffs (852/2004), specific hygiene rules for food of animal origin (853/2004), specific rules for the organisation of official controls on products of animal origin intended for human consumption (854/2004), official controls performed to ensure the verification of compliance with feed and food law, animal health and animal welfare rules (882/2004/EC). As these regulations are mutually interrelated, it was necessary to implement them simultaneously from January 2006 in all countries of the European Community [8]. Within the framework of large-scale feed monitoring control of feed and feed components was carried out with regard to GMO occurrence. One of the research objects was post-extraction flaked soya ground grain of uneven break-up. The research was carried out at the National Feed Laboratory in Szczecin. The presence of GMO in the samples was determined by qualitative methods based on PCR technique making use of screening tests. In the case of samples quantitative markings were carried out by Real Time PCR technique. Research results have been presented in table 1. In two cases (in the years 2004 and 2005) GMO content was found in soya ground grain in 14 and 8 samples, which constituted respectively 77.8% and 80% of the whole, the soya being Roundup Ready. Table 1. Research results of GMO in soya ground grain in the years [2 s. 9], [4 s. 9 10] Tabela 1. Wyniki badań GMO w śrucie sojowej w latach [2 p. 9], [4 pp. 9 10] No Kind of sample Year of research Soya ground grain 2004 Soya ground grain 2005 Soya ground grain 2006 Number of samples Positive research result GMO content above 0.9% (77.8%) 10 8 (80%) (100%) Kind of genetic modification Roundup Ready Roundup Ready Roundup Ready In research conducted in 2006 it was found that all examined soya ground grain samples contained genetically modified RR soya (fig. 2). 100% 80% 60% 40% 20% 0% Fig. 2. Comparison of research results on soya ground grain with regard to GMO occurrence in the years Rys. 2. Zestawienie wyników badań śruty sojowej w kierunku występowania GMO w latach Recapitulation Years It follows from the research conducted that soya ground grain present in the Polish market was in the majority of cases a product containing genetically modified soya Roundup Ready. Considering the fact that 77.8% and 80% of the examined soya ground grain contained modified soya RR in amounts above 0.9%, it can be stated Zeszyty Naukowe 19(91) 37

38 Beata Drzewieniecka that it will appear in similar proportion in feed mixtures. Results in later years confirmed previous assumptions about an increase of GMO products in the market. It is also important to carry out constant control research on animal feed, which will permit monitoring the proper marking of GMO products in the process of feed production. The observed systematic development of food and feed law aiming at a systemic solution of problems, widening the scope of compulsoriness and increasing the accuracy of requirements, provide the basis for ensuring good sanitary quality, required safety level and usefulness of feed for animal feeding in all links of the production and delivery chain. References 1. Rozporządzenie (WE) Nr 1829/2003 parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie genetycznie zmodyfikowanej żywności i paszy. 2. KOROL W., MARKOWSKI J.: Badania kontrolne środków żywienia zwierząt w zakresie wykrywania i oznaczania zawartości produktów genetycznie zmodyfikowanych. Pasze Przemysłowe nr 9, Lublin KWIATEK K.: Nowe regulacje prawne Wspólnoty Europejskiej w zakresie zapewnienia bezpieczeństwa żywności i pasz. Przegląd Zbożowo-Młynarski nr 7, Warszawa SIERADZKI Z., KWIATEK K.: Stosowanie roślin genetycznie zmodyfikowanych w produkcji pasz i żywieniu zwierząt w Polsce, Pasze Przemysłowe nr 9 10, Lublin KOSIERADZKI J.: Wysokobiałkowa śruta sojowa. Przegląd Zbożowo-Młynarski nr 5, Warszawa Ustawa o bezpieczeństwie żywności i żywienia. Dziennik Ustaw z dnia 25 sierpnia 2006 r. nr 171, poz Rozporządzenie (WE) nr 178/2002 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 28 stycznia 2002 r. ustanawiające ogólne zasady i wymagania prawa żywnościowego, powołujące Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności oraz ustanawiające procedury w zakresie bezpieczeństwa żywności. 8. MALESZKA A., SWAT U., KOWALCZYK V.: Specyfikacja wymagań dla podmiotów rynkowych w zakresie bezpieczeństwa zdrowotnego żywności w świetle najnowszych wymagań UE. W: Wymagania prawne w sferze obrotu żywnością. Jakość w doskonaleniu współczesnej ekonomii i techniki cz. II, praca zbiorowa pod redakcją naukową S. Doroszewicza i A. Zwierzchowskiej, SGH, Warszawa Rozporządzenie (WE) nr 1830/2003 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 22 września 2003 r. dotyczące możliwości i etykietowania organizmów zmodyfikowanych genetycznie oraz możliwości śledzenia żywności produktów paszowych wyprodukowanych z organizmów zmodyfikowanych genetycznie i zmieniające dyrektywę 2001/18/WE. Recenzent: prof. dr hab. Zofia Cichoń Uniwersytet Ekonomiczny w Krakowie 38 Scientific Journals 19(91)

39 Scientific Journals Maritime University of Szczecin Zeszyty Naukowe Akademia Morska w Szczecinie 2009, 19(91) pp , 19(91) s Мехатронная система с магнитокоммутационной машиной System mechatroniczny silników wielotarczowych z komutacją magnetyczną Mechatronic system with multi-layer disc electric motor with magnetic flux commutation Сергей Герман-Галкин, Ярослав Гринкевич Akademia Morska w Szczecinie, Wydział Mechaniczny Instytut Elektrotechniki i Automatyki Okrętowej Szczecin, ul. Wały Chrobrego germangalkin@gmail.com, J.Hrynkiewicz@am.szczecin.pl Ключевые слова: mехатронная система, многослойных дисков электрическая, магнитная коннутации Резюме Рассмотрена конструкция многослойного дискового электрического двигателя с коммутацией магнитного потока. Представлены особенности структуры, выполнен анализ мехатронной системы с этой машиной, представлены результаты моделирования. Słowa kluczowe: system mechatroniczny, silniki elektryczne wielotarczowe, komutacja magnetyczna Abstrakt Artykuł omawia budowę silników wielotarczowych z komutacją magnetyczną. Opisano w nim cechy strukturalne silnika, dokonano analizy systemu mechatronicznego oraz przedstawiono wyniki symulacji. Key words: mechatronic system, multi-layer disc electric motor, magnetic flux commutation Abstract The paper deals with construction of multi-layer disc electric motor with magnetic flux commutation. The features of structure electric motor are shown, the analysis of mechatronic system is fulfilled, the simulation results are presented. Введение В последнее десятилетие в мире резко активизировались работы по созданию силового электропривода на базе вентильно-индукторных двигателей (ВИД). Эти двигатели, несмотря на разнообразие конструкций и разное число фаз, можно разделить на три большие группы: с самовозбуждением; с независимым электромагнитным возбуждением; с магнитоэлектрическим возбуждением. Вентильно-индукторный привод (ВИП) с двигателями первой группы активно разрабатывается с ориентацией на массовые промышленные применения (прежде всего из-за простоты инвертора), а ВИП последней группы с ориентацией на прецизионные станочные и робототехнические применения, где стоимость двигателя не является определяющей. Наиболее перспективны ВИД второй группы с независимой обмоткой возбуждения. Это определяется следующими обстоятельствами: Двигатель такого типа можно спроектировать с классической трехфазной обмоткой статора, рассчитанной на разно-полярное питание от обычного мостового инвертора Zeszyty Naukowe 19(91) 39

40 Сергей Герман-Галкин, Ярослав Гринкевич напряжения, применяемого во всех современных преобразователях частоты, что значительно упрощает и удешевляет преобразователь; При большем числе фаз 6, 9, 12 и т.д. двигатель можно рассматривать как состоящий из нескольких независимых друг от друга трехфазных секций с управлением каждой секцией от отдельного мостового инвертора. Переход к многофазным двигателям обеспечивает простоту наращивания мощности привода при сохранении типовой структуры управления секциями. Дополнительно в этом случае отсутствуют дефекты, приводящие к потере работоспособности двигателя. Поскольку независимость питания отдельных фаз позволяет обеспечивать работу двигателя даже при выходе их из строя; Питание контура возбуждения не является проблемой и может обеспечиваться со звена постоянного тока преобразователя через дополнительный силовой ключ, управляемый в режиме ШИМ; Наличие контура возбуждения обеспечивает: высокую кратность пусковых и стопорных моментов (не менее 2 3); расширенный диапазон (до 4:1) работы в зоне ослабления поля с поддержанием постоянства мощности; гибкость за счет программной реализации любого из требуемых режимов работы двигателя: независимого возбуждения, последовательного возбуждения; Возможность построения системы управления ВИП как системы управления вентильным двигателем (бесколлекторным двигателем постоянного тока) или как классической системы векторного управления, работающей в координатах d, q, жестко связанных с ротором. Особенно перспективно, как это следует из многочисленных работ [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7], применение ВИД в мощных электроприводах (диапазон МВт) к каким в частности относятся системы движения кораблей. Обычные машины в системах движения кораблей являются высокоскоростными. Однако для вращения гребных винтов требуется низкая скорость вращения и, следовательно, механизмы понижения скорости зубчатые передачи. Использование таких устройств большой мощности негативно влияет на стоимость, вес и эффективность двигателей системы движения кораблей. Поэтому внедрение низкоскоростных электрических двигателей с большим вращающим моментом, обеспечивающих прямой привод гребных винтов кораблей, очень эффективно. На перспективных автономных объектах (например ПЛ) максимально возможное количество потребителей электроэнергии должно получать ее непосредственно от основной силовой сети постоянного тока. В таком случае снижение потребления электроэнергии по некоторым оценкам может составить до 25% от суммарной мощности, потребляемой в режиме экономического хода. Преобразователи ВИП питаются от источников постоянного тока, поэтому их применение органически вписывается в современную концепцию построения корабельных энергетических систем. В последние годы теоретические разработки вентильных двигателей с независимым электромагнитным возбуждением получили значительное развитие благодаря научной школе, которая была создана профессором А.А. Афониным в Западном Поморском Технологическом Университете в Щецине. В работах этой школы данные машины получили название магнитокоммутационных. Авторы считают, что это название очень точно отражают физику работы рассматриваемой электрической машины, и в данной работе придерживаются этой терминологии. Конструкция и принцип действия магнитокоммутационной машины Идея создания магнитокоммутационной электрической машины (МКМ) принадлежит проф. А.А. Афонину. В его работах [8, 9, 10, 11, 12, 13] изложены вопросы конструкции МКМ, проведен исчерпывающий анализ электромагнитных процессов, показаны многочисленные преимущества таких машин и определены области их применения. Теоретические исследования электромагнитных процессов в МКМ в цитированной литературе базируются на решении полевых задач с использованием дифференциальных уравнений в частных производных. Результаты этих исследований могут служить основой для проектирования и расчета машины. Для построения системы управления с МКМ требуется иной подход при ее анализе. Этот подход базируется на описании МКМ в понятиях (терминах) теории цепей. В данной статье реализуется такое описания МКМ с учетом силового полупроводникового преобразователя, питающего МКМ и алгоритма 40 Scientific Journals 19(91)

41 Мехатронная система с магнитокоммутационной машиной его управления. В совокупности такое устройство является мехатронным устройством (МУ). В статье осуществлен анализ переходных и установившихся процессов в данном МУ, а также синтезированы регуляторы, придающие данному устройству заданные динамические характеристики. Все исследования проведены на базе пакета Matlab-Simulink и его расширений. Рис. 1. Элементарный модуль Rys. 1. Moduł podstawowy Fig. 1. Elementary modul Элемент конструкции МКМ (элементарный модуль-эм) показан на рисунке 1. На неподвижной части (статор) расположены два П-образных сердечника (1) (на рис.1 сердечники повернуты торцами наружу). На подвижной части расположена продольная (замыкающая магнитный поток) часть сердечника (2). На неподвижной части располагаются две обмотки возбуждения (3) отдельные для каждого сердечника. Постоянные токи в обмотках возбуждения (I 1, I 2 ) протекают в противоположных направлениях. Обмотка якоря (4) расположена также на неподвижной части и проходит через оба сердечника. При перемещении части 2 в направлении x первоначально замыкается поток в левом сердечнике, а затем в правом. Поскольку токи возбуждения текут в противоположных направлениях, то магнитный поток, охватывающий обмотку якоря, меняет знак. Если обмотку якоря запитать переменным током, то на подвижную часть машины будет действовать электромагнитный момент. Если частота тока в обмотке якоря будет равна f = pn/60 (р число пар полюсов), то момент на подвижной части будет иметь постоянное среднее значение. Далее описывается МКМ, показанная на рисунке 2. Конструкция представленной машины является упрощенным вариантом конструкции, которая подробно описана в [13]. Магнитокоммутационная машина содержит набор элементарных модулей (ЭМ), образующих несколько, в частном случае, показанном Рис. 2. Конструкция МКМ Rys. 2. Budowa elektrycznego silnika wielotarczowego Fig. 2. Construction of multi-layer disc electric motor Zeszyty Naukowe 19(91) 41

42 Сергей Герман-Галкин, Ярослав Гринкевич на рисунке 2, две отдельные МКМ, ЭМ которых смещены в радиальном направлении. Каждая МКМ имеет две неподвижные электромагнитные системы ( и ), смещенные на половину полюсного деления (полюсное деление определяется смещением сердечников статора). Вся конструкция содержит П-образные сердечники ( 1,1,1,1 ), обмотки возбуждения ( 3,3,3,3 ) и обмотки якоря ( 4,4,4,4 ). На вращающемся диске ротора расположены части магнитопровода ( 2,2 ), замыкающие магнитный поток. При сохранении одинаковых конструктивных размеров ЭМ, внутренняя МКМ содержит меньшее количество полюсов. Эта особенность МКМ вызывает необходимость управления каждой машиной от отдельного преобразователя при построении мехатронной системы. Характер распределения магнитных полей, индуктивности и э д с в статоре МКМ показан на рисунке 3 [13]. Когда ферромагнитные части (полюса) ротора замыкают магнитные потоки в одной группе сердечников статора суммарный магнитный поток и индуктивность якорной обмотки приобретают максимальное значение. В это время в другой группе магнитопроводов того же статора, смещенной относительно первой на полюсное деление, магнитные потоки имеют минимальные значения. При этом магнитный поток во второй группе, сцепленный с обмотками якоря ЭГ, имеет противоположное по отношению к первой группе магнитопроводов направление. При повороте ротора на полюсное деление наступает максимум магнитных потоков во второй группе, как показано соответственно на рисунке 3. В отдельной группе магнитопроводов при перемещении ротора магнитный поток, направленный по оси машины, периодически изменяется от максимального Ф mаx до минимального Ф min значения, не изменяя при этом своего знака в пределах рассматриваемой группы. В то же время в другой группе магнитопроводов магнитный поток также не изменяет своего направления, но сдвинут по фазе во времени на 180 эл. градусов относительно магнитного потока первой группы. Т.о. в общей магнитной системе статора, состоящей из двух групп, при перемещении ротора возникает циркуляция двух переменных во времени магнитных потоков, максимальные значения которых сдвинуты по фазе на период, L E t 2 Рис. 3. Индуктивности, потоки и ЭДС в МКМ Rys. 3. Indukcyjność, strumień i siła elektromotoryczna w elektrycznym silniku wielotarczowym Fig. 3. Inductance, flux and EMF of multi-layer disc electric motor и, поскольку каждый из этих периодически переключаемых магнитных потоков пронизывает обмотку якоря, в последней индуктируется переменная во времени ЭДС. Поскольку максимальный магнитный поток Ф mаx замыкается через магнитопровод статора, ферромагнитные элементы ротора и немагнитный рабочий зазор, то зависимость Ф mаx от тока возбуждения аналогична кривой намагничивания обычных синхронных машин (СМ). В МКМ рационально используются электрические и магнитные материалы, отсутствует перемагничивание и связанные с ним потери в магнитных контурах вследствие однонаправленных магнитных потоков возбуждения. Сокращение длины силовых линий магнитного поля улучшает использование объема электромагнитного ядра и уменьшает массу расходуемой электротехнической стали, что также ведет к снижению добавочных потерь на вихревые токи и гистерезис и таким образом способствует увеличению КПД машины. 2 t 3 2 t 2 42 Scientific Journals 19(91)

43 Мехатронная система с магнитокоммутационной машиной Глубина модуляции индуктивности (аналог отношения x d / x q синхронной машины), возрастает при периодическом чередовании в структуре подвижного рабочего тела (ротора) ферромагнитных и немагнитных элементов. Обмотки технологичны. При этом концентрическая форма их обеспечивает высокий коэффициент заполнения площади пазов в особенности при использовании в качестве проводников плоской ленты или фольги. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований [8, 10, 13] показывают, что многослойные структуры МКМ позволяют обеспечить достижение высоких удельных массогабаритных и энергетических показателей. Выполненные оценки свидетельствуют, что в предложенных конструкциях можно добиться снижения удельной массы до 0.5 кг/(ква) при скорости вращения п = 3000 об/мин, что существенно превышает возможности других типов электрических машин. Особенности конструкций МКМ открывают широкие возможностями для оптимального проектирования и синтеза требуемых параметров и заданных разработчиком характеристик мехатронного устройства. Анализ мехатронного устройства на базе магнитокоммутационной машины Рассмотрим рисунок 4, на нем приведена схема половины элементарного модуля двухфазной МКМ. На статоре машины размещены две якорные обмотки (4 и 4 ), расположенные q d 2 на неподвижных осях, и смещенные на половину полюсного деления. Так же, как это принято при анализе синхронной машины ось, совпадающая с продольной осью сердечника ротора обозначена буквой d, а перпендикулярная ось буквой q. За начальное положение осей принято положение, при котором ось d совпадает с осью. Для рассматриваемой конструкции (рис. 2) электромагнитные моменты двух МКМ складываются на одном валу. Математическое описание каждой МКМ аналогично и может быть представлено в виде [4]. u u R i R i d J dt 1 1 d dt d dt M m M H (1) В уравнениях (1) потокосцепления по неподвижным осям, и электромагнитный момент на валу каждой МКМ находятся из выражений: L L M L i i L L i i 0 0 L L L cos sin 2 2 i i L L i i 0i 0i i i L i i 0 0 (2) Если пренебречь насыщением стали, то выражения для собственных индуктивностей и взаимной индуктивности имеют вид: L L L Ld Lq Ld L 2 2 Ld Lq Ld L 2 2 Ld Lq sin 2 2 q q cos2 cos2 (3) Рис. 4. Электромагнитная модель МКМ Rys. 4. Elektromagnetyczny model silnika elektrycznego wielotarczowego Fig. 4. Electromagnetic model of multi-layer disc electric motor Из (1), (2), (3) получим: u R i L L sin 2 i Ld Lq Ld Lq di cos2 2 2 dt L L cos2 i d L L sin 2 sin d d q q q di dt 0 (4) Zeszyty Naukowe 19(91) 43

44 u R i 1 L cos i L 1 di Ld Lq sin 2 2 dt L L sin 2 i d cos2 i Ld Lq Ld Lq di cos2 2 2 dt Ld Lq 2 2 M p sin 2 i i 2 L L cos2 i i d 0 q q d q sin 0 i Уравнение моментов на валу МКМ: d J dt M m M H Сергей Герман-Галкин, Ярослав Гринкевич cos 0 (4) (5) В уравнениях (4), (5) р-число пар полюсов, M суммарный момент от двух МКМ. Функциональная схема мехатронного устройства каждой МКМ показана на рисунке 5. Рис. 5. Функциональная модель МУ Rys. 5. Schemat systemu mechatronicznego Fig. 5. Block diagram of mechatronic system Рассматриваемая МКМ управляется от силового полупроводникового преобразователя (СПП), который в свою очередь управляется от датчика положения ротора (ДПР) и преобразователя координат (ПК). При таком построении напряжения питания обмоток u и u зависят как от положения ротора машины, так и от алгоритма работы СПП. Силовой преобразователь выполняется по схеме двухплечевого (мостового) однофазного инвертора, который управляется от широтно-импульсного модулятора, т.о. на выходе СПП реализована синусоидальная широтно-импульсная модуляция с амплитудой U, равной напряжению питания СПП. Модель МУ, построенная на базе математического описания (уравнения 1 5), подробно описана и исследована в [15]. В модели реализованы две машины, расположенные радиально с параметрами: МКМ1 R 1 = 2.0 Oм, L d = Гн., L q = Гн., 0 = 0.15 ГнA, p = 6 и МКМ2 R 1 = 0.9 Oм, L d = Гн., L q = Гн., 0 = 0.08 ГнA, p = 3. Момент инерции на валу равен J = 0.2 kгм 2. Рис. 6. Механические характеристики МУ Rys. 6. Charakterystyka momentu w zależności od prędkości obrotowej silnika w systemie mechatronicznym Fig. 6. Characteristics speed-torque of mechatronic system На рисунке 6 представлены механические характеристики для различных напряжений на обмотках якоря МКМ. Кривые 1 соответствуют машине МКМ1, кривые 2 машине МКМ2, характеристики 3 соответствуют всему МУ. Из характеристик видно, что при малых скоростях момент МКМ1 превышает момент МКМ2. При больших скоростях момент МКМ2 становится большим от момента МКМ1. Переходные процессы МУ представлены на рисунке 7. Рис. 7. Переходные характеристики МУ Rys. 7. Charakterystyka systemu mechatronicznego z uwzględnieniem funkcji czasu Fig. 7. Transients characteristics of mechatronic system 44 Scientific Journals 19(91)

45 Мехатронная система с магнитокоммутационной машиной Параметрический синтез регуляторов в замкнутой системе Одна из наиболее распространенных структур замкнутой системы с МУ представлена на рисунке 8. В ней в качестве регуляторов тока использованы релейные регуляторы(ррт). Они управляют четырьмя СПП, которые в свою очередь питают четыре якорных обмотки МКМ. Регулятор скорости (РС) является общим, а на его вход подаются сигнал управления и сигнал обратной связи с вычислителя скорости (ВС). Рис. 8. Функциональная схема системы регулирования Rys. 8. Schemat systemu napędowego Fig. 8. Block diagram of drive system На рисунке 9 представлены электромагнитные процессы в разомкнутой по скорости системе с МУ при задании на вход регуляторов амплитуды тока 20 А. Электромагнитные моменты каждой МКМ и суммарный момент представлены на верхних осциллограммах. Токи в обмотках статора одной машины на нижних осциллограммах. свидетельствует рост частоты токов в обмотках якоря МКМ. Токовый контур при релейных регуляторов является практически безинерционным (рис. 9). Поскольку момент трансцендентно зависит от положения вала (уравнения 4) МУ даже при наличии безинерционных токовых контуров является системой нелинейной. Задача синтеза параметров регулятора для нелинейной системы может быть решена с использованием пакета прикладных программ Simulink Response Optimization. Этот прикладной пакет реализует метод динамической оптимизации. Синтез параметров регулятора в данной системе осуществлялся в два этапа. На первом этапе проведен синтез регулятора по управляющему воздействию. В этом случае момент нагрузки задавался постоянным, равным 10 Нм. На втором этапе осуществлен синтез по возмущающему воздействию (моменту). В этом случае сигнал на входе системы задавался равным нулю. В результате сравнения параметров регулятора, определенных на первом и втором этапе синтеза с учетом требований к системе окончательно выбираются параметры регулятора. В данном случае были выбраны параметры, полученные при синтезе системы по возмущающему воздействию. Переходной процесс в системе с таким регулятором по управляющему и возмущающему воздействию представлен на рисунке 10 при задании скорости 2 рад/с и набросе момента нагрузки 10 Нм. Рис. 9. Электромеханические процессы в системе замкнутой по току Rys. 9. Moment obrotowy systemu napędowego z uwzględnieniem funkcji czasu Fig. 9. Transient process of torque drive system В этом случае МУ является источником момента и его скорость нарастает линейно о чем Рис. 10. Переходной процесс в мехатронной системе Rys. 10. Prędkość z uwzględnieniem funkcji czasu Fig. 10. Transient process of speed drive system Zeszyty Naukowe 19(91) 45

46 Сергей Герман-Галкин, Ярослав Гринкевич Литература 1. LETELLIER P.: High Power Permanent Magnet Machines for Electric Propulsion Drives. ALL ELECTRIC SHIP CIVIL OR MILITARY (AES 2000), Париж, октября 2000 г. 2. EHRHART P., SOZZI L.: Developing Benefits for Maritime Applications. Session 5, Paper II, sept ERICSEN T., HINGORANI N., KHERSONSKY Y.: Power Electronics and Future Marine Electrical Systems. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 42, No. 1, 2006, СОРИН Л.Н., ЗАХАРОВ В.И., ЩЕРБАКОВ В.Г. И ДР.: Опыт разработки и изготовления индукторных двигателей для подвижного состава. «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава»: 3-я Международная научн.- техн. конф. Новочеркасск 2000, ТЕМИРЕВ А.П.: Теория и практика разработки судовых систем электроснабжения и бортовых блоков управления электродвигателей. Монография, Ростов н/д: Изд-во Рост.ун-та, 2004, 250 с. 6. ФИСЕНКО В.Г., ПОПОВ А.Н.: Проектирование вентильных индукторных двигателей. М.: Издательство МЭИ, 2005, 56 с. 7. ЯСАКОВ Г.С.: Корабельные электроэнергетические системы. Часть 1. С.-Пб.: Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова. 1999, 640 c. 8. AFONIN A.: Trends in development of the unconventional electromechanical systems. In: Proc. 2 nd Intern. Conf. on Unconventional and Electromechanical Systems UEES 96, Vol. 1, Poland 1996, AFONIN A.: Multi-layer electromechanical energy converters. Electromotion, Nr 3, 1996, AFONIN A.: Multi-layer electromechanical systems of linear and rotational motion. In: Proc. 3 rd Intern. Conf. on Unconventional and Electromechanical Systems UEES 97, Vol. 1, Ukraine 1997, AFONIN A., GREBENIKOV V.: Contactless electric motors of a new type trends of development. In: Proc. The Intern. Conf. on Electrical Drives and Power Electronics EDPE 96, Vol. 1, Slovakia 1996, AFONIN A., CIERZNIEWSKI P.: Multi-layer moving-magnet linear motors. In: Proc. Intern. Symp. on Electrical Machines ICEM 98, Vol. II, Turkey 1998, AFONIN A., KRAMARZ W., CIERZNIEWSKI P.: Elektromechaniczne przetworniki energii z komutacją elektroniczną. Szczecin 2000, ГЕРМАН-ГАЛКИН С.Г.: MATLAB & SIMULINK Проектирование мехатронных систем. Учебное пособие для вузов. Санкт-Петербург. "КОРОНА ВЕК", 2008, 367 с. 15. ГЕРМАН-ГАЛКИН С.Г.: Анализ и синтез мехатронной системы с магнитокоммутационной машиной в пакетах Matlab-Simulink. Силовая электроника 1, 2006, Recenzent: prof. dr hab. inż. Jan Purczyński Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie 46 Scientific Journals 19(91)

47 Scientific Journals Maritime University of Szczecin Zeszyty Naukowe Akademia Morska w Szczecinie 2009, 19(91) pp , 19(91) s Właściwości eksploatacyjne nowych panewek endoprotezy stawu biodrowego Exploatative properties of a new cup of hip joint endoprosthese Małgorzata Grądzka-Dahlke Politechnika Białostocka, Zakład Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej Białystok, ul. Wiejska 45c, dahlke@pb.bialystok.pl Słowa kluczowe: biotribologia, panewka stawu biodrowego, łożysko porowate, badania tribologiczne, analiza przepływu cieczy Abstrakt Alloplastyka stawów jest jedną z dziedzin, które intensyfikują rozwój inżynierii biomedycznej. W ostatnich dziesięcioleciach obserwuje się niesłabnące działania w kierunku zwiększenia trwałości implantów. Ograniczenia materiałowe wymuszają poszukiwanie nowych rozwiązań. W referacie przedstawiono koncepcję nowej panewki stawu biodrowego z metaliczną warstwą porowatą. Idea oparta na założeniu łożyska samosmarnego powinna zapewnić korzystne warunki pracy i minimalizację zużycia elementów współpracujących. Przeprowadzono analizę numeryczną przepływu cieczy w warstwie porowatej oraz weryfikujące badania eksperymentalne na symulatorze tarcia stawu biodrowego. Uzyskane wyniki potwierdziły słuszność przyjętej koncepcji. Przepływ cieczy w porowatej panewce zapewnia dobre smarowanie powierzchni trących i zmniejsza zużycie elementów. Key words: biotribology, hip joint cup, porous bearing, tribological test, liquid flow analysis Abstract Joint alloplastics is one of the domains intensifying biomedical engineering development. Last decades show unabated activity towards increase of implant durability. Material restrictions force the search for new solutions. In this work the conception of new hip joint cap with metallic porous layer is presented. The idea based on self-lubricating bearing should ensure favourable conditions and minimize wear of co-working elements. Numeric analysis of the lubricating fluid flow in porous layer has been taken as well as verifying experimental research on hip joint friction simulator. Obtained results confirmed the fairness of the admitted assumptions. The fluid flow in porous cap ensures good lubrication of sliding layers and decrease wear of elements. Wstęp Rozwój inżynierii biomedycznej w ostatnich dziesięcioleciach stawia wciąż nowe zadania inżynierom zarówno w obszarze konstrukcji, technologii, jak też materiałów. Wysokie wymagania, które muszą spełniać implanty biomedyczne, nakazują często poszukiwanie nowych jakościowo rozwiązań. Jedną z takich dziedzin jest alloplastyka stawów. Choroby zwyrodnieniowe, urazy, powodują konieczność zastąpienia uszkodzonych elementów stawów sztucznymi implantami. Rozwiązanie takie jest dobrodziejstwem dla tysięcy pacjentów, przywracając im możliwość funkcjonowania w otaczającym świecie. Wieloletnie doświadczenia eksploatacyjne pozwoliły wyselekcjonować materiały do zastosowań biomedycznych, spełniające podstawowe wymagania, dotyczące odporności korozyjnej, odpowiednich właściwości mechanicznych czy biotolerancji. Jednak analiza niepowodzeń alloplastyki wskazuje na konieczność zwiększenia trwałości implantów. W przypadku endoprotez stawów biodrowych średni czas eksploatacji szacowany jest na lat, co jest okresem zdecydowanie niewy- Zeszyty Naukowe 19(91) 47

48 Małgorzata Grądzka-Dahlke starczającym, szczególnie w przypadku młodych, aktywnych pacjentów. Według doniesień literaturowych, główną przyczyną tej sytuacji jest nadmierne zużycie elementów węzła tarciowego sztucznych stawów [1, 2, 3, 4, 5]. Dotychczasowe prace zmierzające głównie w kierunku wykorzystania metod inżynierii powierzchni do modyfikacji odporności na zużycie stopów implantacyjnych nie przynoszą oczekiwanych rezultatów [6, 7]. W Katedrze Inżynierii Materiałowej i Technologii Maszyn Politechniki Białostockiej zaproponowano nowe rozwiązanie układu tarciowego endoprotezy stawu biodrowego, oparte na zasadzie pracy porowatego łożyska samosmarnego [8, 9, 10]. Para tarciowa składa się z głowy, wykonanej z litej stali implantacyjnej 316L, oraz panewki o 3-warstwowej strukturze. Warstwa wewnętrzna wykonana jest z porowatego spieku z analogicznej stali. Przed eksploatacją warstwa ta jest nasycona sztuczną cieczą synowialną. Znaczna porowatość spieku pozwala na cyrkulację cieczy smarowej z porów do strefy tarcia, co wpływa na minimalizację oporów ruchu i zużycia współpracujących elementów. W pracy podjęto próbę analizy numerycznej przepływu cieczy w warstwie porowatej panewki oraz weryfikacji eksperymentalnej przyjętego modelu. Uwzględniono następujące parametry wejściowe: głowa stalowa, chropowatość powierzchni Ra = 0,01 mm; obrót o 30 stopni (0,5 rad/s); panewka zawierająca wewnętrzną warstwę z porowatej stali, porowatość 36%, wielkość porów otwartych 0,10958 mm (obliczona na podstawie zgładów poprzecznych materiału panewki metodą analizy obrazu); ciecz smarująca o parametrach sztucznego płynu stawowego: ciecz nieniutonowska (charakterystyka lepkości dynamicznej przedstawiona na rysunku 2), gęstość 1,003 kg m 3 ; luz pomiędzy główką a warstwą porowatą: 0,05 mm. temperatura 36,6C, ciśnienie referencyjne, zewnętrzny nacisk pionowy 9,81 MPa. W celu uproszczenia obliczeń przyjęto osiowy wycinek panewki o szerokości 1 mm. Analizowano zmiany prędkości przepływu oraz ciśnienia cieczy w warstwie porowatej panewki podczas pracy. Materiały i metodyka badań Przeprowadzono analizę numeryczną przepływu cieczy smarowej w porowatej warstwie panewki. Obliczenia wykonano za pomocą programu Solid- Works przy użyciu pakietu Flow Simulation. Model układu tarciowego przyjęty do obliczeń (rys. 1) odpowiada prototypowi badanego węzła tarciowego endoprotezy z warstwą porowatą. Rys. 1. Model obliczeniowy przepływu cieczy w panewce z warstwą porowatą Fig. 1. Calculation model of the fluid flow in the cup with porous layer Rys. 2. Wykres lepkości dynamicznej cieczy smarowej przyjęty do analizy Fig. 2. Graph of dynamic viscosity of the fluid lubricant adopted for analysis Badania tribologiczne przeprowadzono na symulatorze tarcia stawu biodrowego w układzie głowa panewka endoprotezy (rys. 3). Głowa kulka łożyskowa ze stali 316L wykonywała ruch obrotowo-rewersyjny z częstotliwością 1 Hz. Uchwyt, w którym zamocowana była panewka, był obciążany cyklicznie za pomocą siłownika pneumatycznego, maksymalna wartość nacisku P = 1 kn. Cykl obciążeń i ruchów był analogiczny do warunków panujących w naturalnym stawie biodrowym podczas chodu. Badania realizowano w środowisku sztucznej cieczy stawowej (Diasinolumad usum exetrum) w temperaturze pokojowej. Podczas badania mierzono opory ruchu, które posłużyły do wyznaczenia maksymalnych wartości współczynnika tarcia w każdym cyklu. Po zakończonym badaniu mierzono zużycie panewki zgod- 48 Scientific Journals 19(91)

49 Właściwości eksploatacyjne nowych panewek endoprotezy stawu biodrowego nie ze znormalizowaną metodyką ISO : 2000(E) opracowaną do oceny zużycia całkowitych endoprotez stawów biodrowych [11]. Pomiary przeprowadzono na współrzędnościowej maszynie pomiarowej (WMP) MISTRAL firmy Brown&Sharpe z głowicą pomiarową TP 200. Obserwacji mikroskopowych powierzchni panewek dokonano na elektronowym mikroskopie skaningowym HITACH S-3000N. Rys. 5. Zmiany ciśnienia cieczy w porowatej warstwie panewki podczas tarcia Fig. 5. Changes in fluid pressure in porous layer of the cup during the friction Rys. 3. Elementy eksperymentalnego układu tarciowego głowa-panewka endoprotezy Fig. 3. Elements of the experimental friction system head-cup endoprosthese Wyniki badań i dyskusja Wyniki analizy numerycznej, przedstawione na rysunkach 4 i 5, wskazują, że przy założonych parametrach pracy węzła tarciowego z porowatą panewką ma miejsce przepływ cieczy smarowej w przypowierzchniowej warstwie wkładki porowatej. Ciecz jest wyciskana do strefy tarcia, szczególnie w miejscach występowania największych obciążeń (rys. 5). Obecność cieczy smarowej pomiędzy współpracującymi powierzchniami powinna wpłynąć na stabilizację warunków tarcia i zmniejszenie zużycia. Doświadczalna weryfikacja pracy węzła tarciowego endoprotezy stawu biodrowego z warstwą porowatą w pełni potwierdziła przyjęte założenia. Opory ruchu, rejestrowane podczas pomiaru były niskie jak na parę tarciową metal/metal na początku pomiaru współczynnik tarcia osiągnął wartość 0,14, po czym ustabilizował się na poziomie ok. 0,10. Może to świadczyć, że podczas badania utrzymywał się film smarny pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Mierzono także zużycie panewki jako zmianę położenia punktów na powierzchni roboczej przed i po tarciu. Pomiary wykonane po 50 godzinach badań wykazały, że maksymalna różnica wyniosła ok. 0,2 mm. Wielkość ta praktycznie nie uległa zmianie po kolejnych 50 godzinach tarcia (rys. 6), co potwierdza, że warunki tarcia były stabilne w całym badanym zakresie czasowym. Zmiany geometrii panewki w pierwszej fazie badań mogły być spowodowane zarówno zużyciem, jak też odkształceniem plastycznego metalu na skutek przyłożonych obciążeń. Rys. 4. Zmiany prędkości przepływu cieczy w porowatej warstwie panewki podczas tarcia Fig. 4. Speed changes of fluid flow in porous layer of the cup during the friction Rys. 6. Zmiany geometrii powierzchni porowatej panewki po 100 godzinach badań tarciowych Fig. 6. Changes in the geometry of the cup s porous surface after 100 hours of testing friction Zeszyty Naukowe 19(91) 49

50 Małgorzata Grądzka-Dahlke Na zdjęciach mikroskopowych powierzchni roboczej panewki po tarciu widoczne są odkształcenia plastyczne ziarn metalu oraz pojedyncze ślady zużycia (rys. 7). Brak wyraźnych oznak zużycia adhezyjnego i ściernego również jest potwierdzeniem smarującego oddziaływania płynu synowialnego, co było założeniem pracy. Rys. 7. Zdjęcia mikroskopowe porowatej powierzchni panewki przed i po tarciu, SEM, pow. 450 Fig. 7. Microscopic images of the cup s porous surface before and after friction, SEM, zoom 450 Podsumowanie W artykule przedstawiono wyniki analizy przepływu cieczy w porowatej warstwie panewki stawu biodrowego oraz wyniki badań tribologicznych prototypowej panewki, przeprowadzonych na symulatorze tarcia. Analiza numeryczna wykazała, że przy przyjętych założeniach dotyczących warunków eksploatacji możliwa jest cyrkulacja cieczy smarowej w strukturze porowatej i pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Badania eksperymentalne potwierdziły zasadność przyjętego rozwiązania węzła tarciowego endoprotezy. Obecność cieczy smarowej pozwoliła na zminimalizowanie oporów ruchu podczas tarcia (wartość współczynnika tarcia kształtowała się na poziomie 0,1) oraz na ograniczenie zużycia (całkowita zmiana wymiarów panewki po 360 tysiącach cykli wyniosła ok. 0,2 mm). Bibliografia 1. GIERZYŃSKA-DOLNA M.: Problemy tribologiczne w endoprotezoplastyce. Inżynieria biomateriałów, Nr 1, HALL R.M., UNSWORTH A.: Friction in hip prostheses. Biomaterials 18, 1997, Micro-structural alterations within different areas of articulating surfaces of a metal-on-metal hip resurfacing system. Wear 267, 2009, BURNY F., DONKERWOLCKE M., MUSTER D.: Biomaterials education: a challenge for medicine and industry in the late 1990s. Materials Science and Engineering A 199, 1995, KATTI K.: Biomaterials in total hip replacement. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 39, 2004, REINISCH G., JUDMANN K.P., LHOTKA CH., LINTNER F., ZWEYMUELLER K.A.: Retrieval study of uncemented metalmetal hip prostheses revised for early loosening. Biomaterials 24, 2003, WIMMER M.A., LOSS J., NASSUTT R., HEITKEMPER M., FISCHER A.: The acting mechanisms on metal-on-metal hip joint bearings: in vitro results. Wear 250, 2001, GRĄDZKA-DAHLKE M., HOŚCIŁO B., DĄBROWSKI B., DĄBROWSKI J.R.: Fatigue characteristic of porous implant steel 316L under low-cycle compression. Biomaterials in regenerative medicine: Proceedings of the International Conference, Vienna, October 22 25, The Scientific Centre of the Polish Academy of Science in Vienna, Conference Proceedings and Monographs, Vol. 6, 2006, GRĄDZKA-DAHLKE M., DĄBROWSKI J.R., DĄBROWSKI B.: Characteristic of the porous 316 stainless steel for the friction element of prosthetic joint. Wear, Vol. 263, nr 7/12, 2007, GRĄDZKA-DAHLKE M.: Estimation of tribological properties of an artificial hip join cup with a porous metallic insert. 8th World biomaterials congress, Amsterdam, May 28 June 1, 2008, CD-ROM. 11. Norma ISO :2000(E). Implants for surgery Wear of Total hip joint prostheses Part 2: Methods of measurements. Praca finansowana w ramach projektu badawczego PB nr W/WM/2/07. Autorka dziękuje mgr. inż. Michałowi Sadowskiemu z Biura Konstrukcyjnego MiCAD Łódź za udział w przeprowadzeniu analizy numerycznej. Recenzent: dr hab. inż. Zbigniew Matuszak profesor Akademii Morskiej w Szczecinie 50 Scientific Journals 19(91)

51 Scientific Journals Maritime University of Szczecin Zeszyty Naukowe Akademia Morska w Szczecinie 2009, 19(91) pp , 19(91) s Analiza dynamiki układów wirnikowych silników turbinowych z wykorzystaniem śledzenia rzędów Analysis of dynamics gas turbines rotor systems using Order Tracking procedure Andrzej Grządziela Akademia Marynarki Wojennej, Katedra Siłowni Okrętowych Gdynia, ul. Śmidowicza 69, a.grzadziela@amw.gdynia.pl Słowa kluczowe: diagnostyka techniczna, wibroakustyka, analiza sygnałów, wirnik silnika turbinowego, niewyrównoważenie Abstrakt W artykule przedstawiono ocenę przydatności metod Order Tracking i Autotracking w analizie sygnałów drganiowych dla diagnozowania układów wirnikowych okrętowych turbinowych silników spalinowych w procesie zimnego rozruchu i wybiegu. Na podstawie uzyskanych rezultatów przedstawiono wnioski dotyczące metodologii drganiowych badań diagnostycznych silników typu DR oraz zakresu przydatności prezentowanych metod w diagnostyce technicznej. Key words: diagnostics, vibroacoustics, signal analysis, rotors of gas turbine engine, unbalancing Abstract The article presents comparison of Order Tracking and Autotracking methods of vibration signals analysis for assessing a technical condition of the rotors system of marine gas turbine engines. Results of tests were registered in run-up and shut-down processes of the turning of rotors system. Comparisons of results enable to present conclusions for application both methods for diagnosing marine gas turbine engines DR type in non-steady states. Wstęp W strukturze organizacyjnej jednostek pływających Marynarki Wojennej RP, objętych stałym, bazowym systemem diagnostycznym znajdują się małe okręty rakietowe typu 1241 RE. Wyposażone są one w kombinowane układy napędowe typu COGAG z turbinowymi silnikami spalinowymi. W ramach rutynowych badań diagnostycznych realizowanych zazwyczaj w stanach ustalonych przeprowadzono dodatkowe pomiary drgań silników mocy marszowej typu DR 76 w trakcie zimnego rozruchu oraz wybiegu. Silniki DR 76 są trzywirnikowymi marynizowanymi turbinowymi silnikami spalinowymi, które dodatkowo wyposażone zostały w swobodną turbinę napędową. Strukturę wirnikową silnika przedstawia rysunek 1. Celem badań było określenie przydatności analizy rzędów w diagnozowaniu drganiowym typowych niesprawności układu wirnikowego silników turbinowych w stanach nieustalonych. Pomimo tego, że poszczególne elementy silnika turbinowego mogą być składane z wyjątkową pieczołowitością, dość często spotyka się niewyrównoważenie maszyn wirnikowych przewyższające wartość szczątkową. Jego przyczyną są najczęściej sumy niedokładności obróbki i montażu oraz wpływ rozszerzalności cieplnej. W okrętowych turbinowych silnikach spalinowych, z punktu widzenia dynamiki, najważniejsza rolę w identyfikacji stanu technicznego pełnią: wirniki, łożyska, podpory łożyskowe, korpus silnika, sposób zamontowania silnika na fundamencie, warunki hydrometeorologiczne (pływanie z dużą prędkością na fali) oraz Zeszyty Naukowe 19(91) 51

52 Andrzej Grządziela Rys. 1. Przekrój podłużny silnika DR 76, gdzie: 1 SNC (sprężarka niskiego ciśnienia), 2 górna skrzynka mechanizmów pomocniczych, 3 SWC (sprężarka wysokiego ciśnienia), 4 komory spalania, 5 TWC (turbina wysokiego ciśnienia), 6 TNC (turbina niskiego ciśnienia), 7 TN (turbina napędowa), 8 dolna skrzynka mechanizmów pomocniczych, 9 bęben SNC, 10 kierownice wstępnego zawirowania, 11 lemniskata wlotowa Fig. 1. Longitudinal section of DR 76 engine, where: 1 LPC (low pressure compressor), 2 upper connection gearbox, 3 HPC (high pressure compressor), 4 burning chambers, 5 HPC (high pressure turbine), 6 LPC (low pressure turbine), 7 PT (power turbine), 8 lower connection gearbox, 9 rotor of LPC, 10 vanes of the air flow control system, 11 inlet lemniscates zmienne parametry termo-gazodynamiczne występujące w silniku. Stan techniczny decydująco wpływa na jakość procesu roboczego oraz na trwałość silnika. Dyssypacja energii objawia się w maszynach wirnikowych drganiami, których podstawowymi przyczynami są: niewyrównoważenie wirnika; przekroczenie tolerowanych odchyłek współosiowości wałów transmitujących moment obrotowy; ocieranie się elementów łopatek wirnikowych o wewnętrzną część korpusu silnika; zużycie łożysk nośnych i oporowych; asymetria własności sprężysto-tłumiących wirnika wraz z elementami na nim osadzonymi; nierównomierność sił gazodynamicznych oddziałujących na wirnik. Emisja energii drganiowej, oprócz wielu składowych pochodzenia stochastycznego, niesie ze sobą informację o aktualnym stanie technicznym silnika. Pomiar drgań, ich identyfikacja, klasyfikacja, analiza matematyczna oraz obserwacje trendu niosą informację nie tylko o aktualnym stanie technicznym, ale także umożliwiają prognozowanie procesu zużycia [1, 2]. Model diagnozowania drganiowego Każda bryła sztywna ma sześć stopni swobody, natomiast przy założeniu jej odkształcalności ma ich nieograniczoną liczbę. W przypadku maszyn wirnikowych, takich jak turbinowy silnik spalinowy, można przyjąć, że liczba stopni swobody jest równa sumie wszystkich stopni swobody elementów silnika pomniejszona o liczbę nieodkształcalnych więzów pomiędzy elementami. Poszczególnym elementom silnika można przypisać charakterystyki fizyczne uzyskane bądź metodą bezpośrednich pomiarów, bądź w wyniku modelowania materiałowo-geometrycznego. Przyjęcie określonego modelu wiąże się w przypadku potraktowania wirnika jako bryły sztywnej z uzyskaniem równania ruchu w postaci zwyczajnych równań różniczkowych. Akceptacja wirnika jako bryły odkształcalnej spowoduje przyjęcie cząstkowych równań różniczkowych ruchu. Takie rozwiązanie, choć dość trudne do zamodelowania, w znaczący sposób może zbliżyć do modelu rzeczywistego, co nabiera szczególnego znaczenia dla maszyn pracujących w szerokim zakresie prędkości obrotowych. Schemat modelu diagnostycznego przyjętego w diagnostyce przedstawia rysunek 2 [3]. Obecnie jako uniwersalny system identyfikacji uszkodzeń metodą drganiową stosuje się analizę porównawczą modelu wirnika wykonaną w MES lub w postaci kanonicznych równań różniczkowych ruchu z pomiarami drgań wykonanymi na obiekcie rzeczywistym [4]. Do symulacji wstępnych wystarczający jest model liniowy, w którym oczekiwanym efektem jest przemieszczenie podpory łożyskowej w funkcji czasu. Zmiana parametrów geometrycznych wpływa na zastosowany model wirnika, a zatem na przyjęte współczynniki i wartości w równaniu [5]. To z kolei implikuje zmianę w przemieszczeniu. Stosując szybką transformatę Fourier a (FFT), wobec otrzymanego przebiegu czasowego przemieszczenia, można otrzymać efekt w postaci 52 Scientific Journals 19(91)

53 Analiza dynamiki układów wirnikowych silników turbinowych z wykorzystaniem śledzenia rzędów Silnik turbinowy + warunki okrętowe Model fizyczny silnika Model matematyczny silnika turbinowego Rozwiązanie równań ruchu MES Y(t) Y m (t) Pomierzone przebiegi czasowe i widmowe Porównanie wyników Y(t) Obliczone przebiegi czasowe i widmowe Rys. 2. Schemat modelu diagnostycznego okrętowego turbinowego silnika spalinowego Fig. 2. Schematic diagnostic model of the gas turbine engine oczekiwanego widma przemieszczeń, prędkości lub przyspieszeń drgań w zależności od oczekiwanych symptomów drganiowych [3, 6]. Zmiana parametrów w czasie umożliwia również obserwację symulowanych zmian parametrów drganiowych w stanach nieustalonych. Model dynamiczny układu wirnikowego Model dynamiczny układu wirnikowego powinien być jak najprostszy, a uproszczenia można stosować dopóki reaguje na przyjęte kryteria. Podstawowe czynniki, których uwzględnienie okazuje się celowe to w kolejności: tłumienie, elastyczność podpór i sztywność skrętna. Uwzględnienie tłumienia okazuje się niezbędne, gdy model ma służyć do klasycznego zadania diagnostycznego, czyli ciągłego odwzorowania symptom stan w sposób ilościowy, a nie tylko w jakościowy. Uwzględnienie sprężystości podpór wbrew pozorom nie zawsze bywa niezbędne, gdyż obserwując obiekt najczęściej rejestrujemy drgania elementów mocujących lub obudów w przyjętym kierunku. Poza tym, sztywność tych elementów jest najczęściej wielokrotnie większa od sztywności elementów wirujących, a tłumienie wewnętrzne na tyle małe, że drgania przenoszą się bez istotnej zmiany częstotliwości. Problem odwzorowania obserwacji sprowadza się zatem do znalezienia funkcji przejścia (lub najczęściej transmitancji widmowej w dziedzinie częstotliwości) [5]. Konieczność uwzględnienia elastyczności zamocowań występuje jedynie wówczas, gdy jest ona na tyle duża, że rzutuje w sposób jakościowy na dynamikę układu. Podobnie jest ze sztywnością skrętną pojedynczego członu. Wprowadzenie tego parametru jest niezbędne, gdy modelujemy jako jeden element układ kilkumasowy, w którym obserwowana jest różnica prędkości kątowych poszczególnych tarcz bębnów wirnika, w pozostałych przypadkach wystarczy zwykle uwzględnienie podatności skrętnej połączeń. W takim przypadku można rozpatrywać model części wirnikowej niskiego ciśnienia w postaci przedstawionej na rysunku 3. Równania ruchu prezentowanego układu przedstawiono w postaci: I 1 1 I k I k mh 2 kh me sin cos 2 mv kv me cos sin I k d M 1 ( dt ) M1 1 2 k kev cos2 hsin 2 M t 31 3 k s1 2 I 2, m 2 v 2 k s2 h M 2 (t) 3 (1) Rys. 3. Przykładowy model dynamiczny układu wirnikowego niskiego ciśnienia: I 1 zredukowany moment bezwładności napędu SNC; I 2 moment bezwładności układu transmisji; I 3 zredukowany moment bezwładności TNC; m masa niewyrównoważonego układu transmisji; k s1, k s2 sztywności sprzęgieł; φ 1,2,3 kąty obrotu; M 1,2 moment napędowy i oporowy Fig. 3. Exemplary dynamic model of rotor system: I 1 reduced moment of inertia of the LPC; I 2 moment of inertia transmission system; I 3 reduced moment of inertia of the LPT; m mass of unbalanced system; k s1, k s2 couplings stiffness; φ 1,2,3 angles of rotation; M 1,2 drive and anti-drive torques Równania mogą zostać rozbudowane o tłumienie, którego macierz ma identyczną postać jak macierz sprężystości oraz o związki ilustrujące ugięcie podpór. Jak łatwo zauważyć, przyjęcie I 1 = I 3 = 0 sprowadza układ do prostego modelu jednego członu z uwzględnieniem jego podatności skrętnej. I 3 Zeszyty Naukowe 19(91) 53

54 Andrzej Grządziela Identyfikacja modelu diagnostycznego Rozpatrując uproszczony układ wirnikowy przedstawiony na rysunku 3, złożony z wału oraz dwóch bębnów odpowiadających za elementy niskiego ciśnienia wytwornicy spalin silnika DR 76, należy założyć, że przeprowadzona symulacja ma uwzględniać akcelerację i decelerację wirnika wytwornicy spalin. W modelu założono, że przesunięcie środka ciężkości spowodowane ubytkiem lub naddatkiem masy może występować na dowolnych wirnikach. Masy poszczególnych bębnów przyjęto zgodne z modelem przygotowanym w środowisku MES, którego metodykę przygotowania znaleźć można w pozycji [5]. Ze względu na ogromne sztywności skrętne tego typu napędów, w modelu uproszczonym ograniczyć się można jednie do drgań poprzecznych [7]. Korzystając ze sposobu wyznaczania współczynników sztywności dla układów statycznie niewyznaczalnych z wykorzystaniem równania trzech momentów oraz metody Wereszczagina, wyznaczono współczynniki r ij (będące funkcjami współczynników Maxwella α ij ). Tym samym otrzymano układ równań różniczkowych drugiego rzędu, opisujący ruch przedstawionego układu. Uszkodzenia wprowadzone są w postaci odpowiednich wymuszeń harmonicznych (jako prawe strony równań P i ) zależnych od prędkości obrotowej. Z uwagi na brak sprzężeń pomiędzy współrzędnymi w płaszczyźnie pionowej i poziomej, wystarczy zamodelowanie układu w jednej płaszczyźnie z tą różnicą, że w płaszczyźnie pionowej (v) działać będzie dodatkowo siła ciężkości, oraz że inne będą współczynniki sztywności i tłumienia w obu kierunkach. Układ równań ruchu (2) zamodelowano i rozwiązano w środowisku Matlab Simulink. m v c v r v r v r v m m v w1 w v w2 w c 4 c 11 1 r v r v 15 w1 r v r v 25 w1 r v r v w1 r v r v 45 w1 v w1 w1 r v r v w1 v w2 w2 r v r v 65 w1 r r r r w2 26 w2 36 w2 46 w r r v v 56 w v 66 w P ( t) m v c v r v r v r v 1 P ( t) P ( t) P ( t) m v c v r v r v r v m v c v r v r v r v v v v r v r v r v 4 P ( t) P ( t) r v r v r v 63 3 (2) Uzyskane wyniki symulacji można w ten sposób porównać z wynikami badań eksperymentalnych, a następnie przeprowadzić jakościową i ilościową identyfikację modelu w dziedzinie czasu, amplitudy oraz częstotliwości w stanach nieustalonych [3, 5]. Przebieg badań Alternatywnym rozwiązaniem w stosunku do dotychczas realizowanych badań w stanach ustalonych jest ocena dynamiki układu wirnikowego w trybie off-line w procesie zimnego rozruchu oraz wybiegu. Przyjęcie takiej procedury umożliwia wykluczenie sygnałów zakłóceniowych pochodzących od procesu spalania oraz pracy swobodnej turbiny napędowej. Celem badań było określenie przydatności procedur śledzenia rzędów, dotychczas mało wykorzystywanych w diagnostyce okrętowych turbinowych silników spalinowych, dla potrzeb wczesnej identyfikacji niewyrównoważenia oraz zmian podstawowych częstotliwości drgań własnych wirników wytwornicy spalin [8]. W procesie zimnego rozruchu rozrusznik elektryczny (silnik bocznikowo-szeregowy) rozpędzał wirnik SNC do prędkości około n SNC = 7200 obr/ min, utrzymując stałą prędkość przez około 80 s bez podawania paliwa do wtryskiwaczy oraz przy braku zapłonu. Wirnik SWC rozpędzał się na skutek oddziaływania aerodynamicznego wirnika SNC. Przetworniki pomiarowe zamontowano wykorzystując wsporniki stalowe umieszczone na przednim kołnierzu SNC, nad łożyskiem nośnym. Zastosowane wsporniki zostały wykonane tak, aby częstotliwość rezonansowa wspornika nie nakładała się na podstawowe harmoniczne związane z prędkościami wirników silnika. Kierunek pomiaru określono jako prostopadły do osi wirowania wirników. Wyboru kierunku montażu akcelerometrów dokonano z uwzględnieniem analizy teoretycznej wymuszeń wynikających z wirowania niewyrównoważonego wirnika oraz w oparciu o dokonane wcześniej badania wstępne na obiekcie [2]. Ze względu na zmienną prędkość obrotową obu wirników wytwornicy spalin, wszystkie badania wykonano z wykorzystaniem synchronizmu sygnałów drganiowych. Sygnałem synchronizującym było napięcie z prądnicy tachometrycznej mierzącej prędkość obrotową wirnika SNC. Analiza wyników badań w procesie zimnego rozruchu Pierwszym etapem badań w trakcie zimnego rozruchu była analiza śledzenia rzędów w procesie akceleracji wirnika SNC. W trakcie pomiarów zamontowano dwa przetworniki akcelerometryczne na kołnierzu przedniego łożyska SNC. Jeden z sygnałów pochodził od przetwornika umiejscowionego nad sztywnym wspornikiem łożyskowym (stan- 54 Scientific Journals 19(91)

55 Analiza dynamiki układów wirnikowych silników turbinowych z wykorzystaniem śledzenia rzędów dardowe miejsce pomiarowe), natomiast drugi sygnał pozyskiwany był nad wspornikiem, w którym znajduje się odpowietrzenie łożyska (nietypowe miejsce pomiarowe). Przedstawiony wybór miejsc pomiarowych podyktowany był m.in. potrzebą określenia wpływu zakłóceń w kanale odpowietrzenia na rejestrowane sygnały drganiowe oraz możliwością wykonania w dalszej części badań procedury autośledzenia. Analiza sygnałów drganiowych w procesie szybkiej akceleracji rozrusznikiem elektrycznym jest trudna do zaakceptowania z punktu widzenia diagnostyki. Rozmycie się harmonicznych oraz ich zmiana wartości w dziedzinie częstotliwości utrudnia wykonanie przydatnych analiz rysunek 4. Należy jednak zwrócić uwagę na inny aspekt prezentowanej procedury pomiarów. Rozpoczęcie pomiarów na 7 sekund przed załączeniem rozrusznika elektrycznego pozwoliło na otrzymanie informacji dotyczących zewnętrznych oddziaływań w postaci wymuszeń harmonicznych widocznych w rejestrowanym widmie. Pozwoliło to, przy użyciu innych metod analiz, zidentyfikować i wyeliminować sygnały niezwiązane z dynamiką wirników, np.: f 1 = 305 Hz, f 2 = 600 Hz, f 3 = 1,6 khz i f 4 = 2 khz. na niewielki wzrost niewyrównoważenia wirnika SNC [7]. Rys. 5. Analiza rzędów prędkości drgań w trakcie zimnego rozruchu (w funkcji czasu akceleracji wirnika SNC) Fig. 5. Analysis of the vibration speed rows during a cold start (as a function of LPC rotor acceleration time) Analiza wybiegu z zimnego rozruchu Proces wybiegu wirnika SNC zarejestrowano od prędkości obrotowej, wynoszącej n SNC = 7200 obr/ min do n SNC = 1680 obr/min, co odpowiada po przełożeniu prędkościom obrotowym prądnicy tachometrycznej od 915 obr/min do 210 obr/min. Analizując możliwości wykorzystania analizy śledzenia rzędów w procesie wybiegu, stwierdzono, że dominującym sygnałem przy analizie prędkości drgań jest podharmoniczna 0,5 harmonicznej (4 rząd). Przedstawione na rysunkach 6 i 7 widmo rzędów wskazuje na dominację wartości 4 rzędu w całym zakresie prędkości obrotowych wybiegu. Jest to efektem spadku ciśnienia oleju smarowego w łożyskach nośnych i powstania luzów pomiędzy wirnikami SNC i SWC, które powodują odchyłki współosiowości. Rys. 4. Przebieg zmian RMS prędkości drgań w trakcie zimnego rozruchu z widoczną zmianą struktury częstotliwości pomiar synchroniczny Fig. 4. Course of RMS speed vibration change during a cold start with a visible change in the frequency structure synchronous measurement Interesujące wyniki uzyskano wykorzystując procedurę śledzenia rzędów ORDER TRAC- KING rysunek 5 [8]. Cechą charakterystyczną procesu rozruchu są wysokoenergetyczne sygnały 4 i 12 rzędu (odpowiednio 0,5 i 1,5 harmonicznych prędkości i przyspieszeń drgań), których zmiany wskazują na wzrost odchyłek wzajemnej współosiowości obu wirników wytwornicy spalin. Wzrost wartości 16 harmonicznej (odpowiednio 2 harmonicznej prędkości i przyspieszeń drgań) wskazuje Rys. 6. Analiza rzędów prędkości drgań w trakcie wybiegu z zimnego rozruchu, dziedzina czasu Fig. 6. Analysis of the vibration speed rows in the range from a cold start, the analysis field: time Zeszyty Naukowe 19(91) 55

56 Andrzej Grządziela wybiegu. Należy przy tym szczegółowo zapoznać się z wynikami wstępnymi analiz rzędów oraz modelowania numerycznego, które mogą wskazywać na powstanie innych sygnałów charakteryzujących uszkodzenia niezwiązane z dynamiką układu wirnikowego. [m/s] Autospectrum(Signal 3) - Input - 4 order V Working : Input : tacho : Order Analyzer 2,8m 2,4m 2m Rys. 7. Analiza rzędów 0,5 i 1. harmonicznej (4 i 8 rząd) w procesie wybiegu ze startu zimnego, dziedzina analizy: prędkość obrotowa wirnika SNC Fig. 7. Analysis of 0.5 and 1 harmonic (the fourth and eighth row) in the range from a cold start, the analysis field: the LPC rotor rotational speed Efektem tego jest spadek sztywności układu łożyskowego widoczny od 4 sekundy w postaci pasm wzmocnienia sygnałów w kierunku wyższych rzędów. Widoczne prawostronne gałęzie odchodzą od podstawowych harmonicznych, tj. 4, 8 i 12 rzędu. Kolejnym potwierdzeniem wspomnianej sytuacji jest dominacja wartości głównej gałęzi od 8 rzędu, a zatem 1. harmonicznej. Obserwacja dynamiki wirnika SNC w stanach nieustalonych powinna zatem obejmować analizę zmian prędkości i przyspieszeń drgań 1. i 0,5 harmonicznej prędkości i przyspieszeń drgań odniesione do chwilowej prędkości wybiegu rysunki 8 9. [m/s] 1m 900u 800u 700u 600u 500u 400u 300u 200u 100u 0 Autospectrum(Signal 3) - Input - slice1 Working : Input : tacho : Order Analyzer k 1,2k 1,4k 1,6k 1,8k 2k [RPM] (Speed Signal 1) Rys. 8. Analiza 8 rzędu prędkości drgań (1. harmoniczna) w trakcie wybiegu z zimnego rozruchu Fig. 8. Analysis of the eighth vibration speed row (1 harmonic) in the range from a cold start Uzyskane na rysunkach 8 i 9 charakterystyki 1. harmonicznej i podharmonicznej prędkości drgań w przypadku silników nowych powinny być przypisane jako charakterystyki wzorcowe, w stosunku do których analizować powinno się powstałe zmiany wartości w dziedzinie zmian prędkości w procesie 1,6m 1,2m 800u 400u 0 Rys. 9. Analiza 4 rzędu prędkości drgań (0,5 harmonicznej) w trakcie wybiegu z zimnego rozruchu Fig. 9. Analysis of fourth vibration speed row (0.5 harmonic) in the range from a cold start Wnioski k 1,2k 1,4k 1,6k 1,8k 2k [RPM] (Speed Signal 1) Analiza sygnałów drganiowych pozyskiwanych w stanach nieustalonych może być cennym narzędziem diagnostycznym w eksploatacji okrętowych turbinowych silników spalinowych. Systemy synchronizmu sygnałów wykorzystujące procedury śledzenia lub autośledzenia umożliwiają identyfikację indywidualnych cech dynamicznych, niewyrównoważenia układów wirnikowych, ale również zmian częstości drgań własnych oraz asymetrii układu sprężysto-tłumiącego. Przedstawione wyniki badań uzyskane w procesie zimnego obracania wirnikami umożliwiły uzyskanie charakterystyk, których cechy nie są obarczone zakłóceniami wynikającymi z procesów cieplnych oraz oddziaływania dynamicznego turbiny napędowej. Przygotowanie charakterystyk poszczególnych harmonicznych w funkcji prędkości obrotowej może być traktowane jako swoisty odcisk palca silnika turbinowego, którego cechy odpowiadać będą jego aktualnemu stanowi technicznemu. Porównanie wyników badań z wynikami symulacji numerycznych pozwala na ocenę stanu technicznego oraz umożliwia detekcję uszkodzeń i prognozowanie ich dalszego rozwoju, nawet do stanu awaryjnego. Przedstawione wyniki badań umożliwiają postawienie wstępnej diagnozy dotyczącej dynamiki układu wirnikowego przed właściwym uruchomieniem silnika, co zapobiec może potencjalnemu rozwojowi katastroficznych uszkodzeń podczas pracy na obciążeniu. 56 Scientific Journals 19(91)

57 Analiza dynamiki układów wirnikowych silników turbinowych z wykorzystaniem śledzenia rzędów Bibliografia 1. ADAMCZYK J., CIOCH W., KRZYWORZEKA P., JAMRO E.: Monitoring of nonstationary states In rotating machinery. Wyd ITE, Radom CHARCHALIS A.: System diagnozowania okrętowych układów napędowych z turbinowymi silnikami spalinowymi. Problemy eksploatacji 1997, 4(27). 3. GOSIEWSKI Z., MUSZYŃSKA A.: Dynamika maszyn wirnikowych. WU WSI, Koszalin MAJKUT L.: Vibration based damage detection using Laplace wavelet. Diagnostyka 1 (49)/2009, DEUSZKIEWICZ P., DOBROCIŃSKI S., DZIURDŹ J., FLIS L., GRZĄDZIELA A., PAKOWSKI R., SPECHT C.: Diagnostyka wibroakustyczna okrętowych turbinowych silników spalinowych. Wyd ITE, Radom KICIŃSKI J., MARTENY P.: Modelowanie oddziaływań dynamicznych złożonych układów wirnik podpory. Mat. Krajowej Konferencji Naukowo-Technicznej Inżynieria Łożyskowania 96. Gdańsk 1996, GRZĄDZIELA A.: Diagnosing of naval gas turbine rotors with the use of vibroacoustics parameters. Polish Maritime Researches, 2000, No 3, Gdańsk 2000, PEDERSEN T.F., GADE S., HARLUFSEN H., KONSTANTIN- HANSEN H.: Order tracking in Vibro-acoustic Measurements: A Novel Approach Eliminating the Tacho Probe. Technical Review, 2006, No 1, Brüel & Kjær, Recenzent: dr hab. inż. Zbigniew Matuszak profesor Akademii Morskiej w Szczecinie Zeszyty Naukowe 19(91) 57

58 Scientific Journals Maritime University of Szczecin Zeszyty Naukowe Akademia Morska w Szczecinie 2009, 19(91) pp , 19(91) s Ecological risk assessment for ballast waters introductions into the Police harbour basins Ocena zagrożenia ekologicznego środowiska wodami balastowymi wprowadzanymi do basenów Portu Police Zofia Jóźwiak Akademia Morska w Szczecinie, Instytut Inżynierii Transportu Szczecin, ul. H. Pobożnego 11, zofia_jozwiak@interia.pl Key words: ballast waters transport, directions of the ballast water introduced into the Police harbor, ballast water risk assessment Abstract The purpose of the paper has been pointing out the ballast waters donor ports which for the Police harbour are of the highest risk category as far as transmitting living alien species is concerned. The species when encountering similar environmental conditions become risk to the local species as food competitors treating the local species as food and expanding in an invasive way and spreading formerly unknown diseases to the local environment. Moreover, they become dangerous to human health as well as hinder the economy development by reducing fish resources, growing on hydro-technical constructions etc. Słowa kluczowe: transport wód balastowych, kierunki transportu wód balastowych do Portu Police, ocena ryzyka zagrożenia wodami balastowymi Abstrakt Celem pracy było wskazanie portów, z których pobór wód balastowych stwarza dla Portu Police najwyższe ryzyko przywiezienia gatunków obcych w stanie żywym. Gatunki te, trafiając na podobne warunki środowiskowe, stwarzają zagrożenie dla gatunków rodzimych, będąc konkurencją do pokarmu bądź traktując jako pokarm gatunki rodzime. Rozprzestrzeniają się w sposób inwazyjny i przynoszą nowe choroby. Ponadto mogą one zagrażać zdrowiu ludzi oraz utrudniać gospodarkę przez zubażanie zasobów rybackich, obrastanie na budowlach hydrotechnicznych itp. Wstęp Water used for vessel ballasting dumped in the port of loading appears to be dangerous for coastal ecosystems. Alien species introductions caused by ballast waters exchange may result in excessive development of the organisms in the new environment and become risk to the local fauna and flora as well as they limit the diversity of living organisms in the coastal basins and river estuaries susceptible for alien species introductions [1]. In the paper the risk assessment of port waters and coastal ecosystems pollution due to ballast waters dumped into the Police harbour has been undertaken. The probability of alien species survival in the new environment is basically affected by the similarity of climate and salinity of waters the alien species originate from as well as the waters of their introduction [2]. Other significant factors appear to be the duration of the voyage and its characteristic [3]. The more similarities and the shorter voyage, the more probable it seems for the organism to survive and adjust to the new environment to dominate it as an invasive organism [4]. In the above natural water environment risk assessment of the Police harbour there have been considered the following risk indicators: water salinity, temperature, time of the voyage duration, the type of the 58 Scientific Journals 19(91)

59 Ecological risk assessment for ballast waters introductions into the Police harbour basins ballast waters donor port (the Baltic or outside the Baltic sea). The risk assessment of the alien species introductions has been based on the method of regional risk assessment of alien species introduction for the Baltic Sea [5, 6]. Because of the problems with data access (there are no proper databases) there has been applied a model which allows for numerous simplifications but at the same time the assumption that they shall not influence the risk assessment has been made. In the model the following quality factors affecting the ballast waters biological characteristic have been assumed: salinity gradient of the water basin the ballast waters originate from, temperature / climate conditions of the ballast waters donor area, the route of the voyage (the Baltic Sea or outside the Baltic Sea). The risk assessment of the alien species introductions into the Police harbour have been brought to comparing similarities concerning environmental conditions of the donor port the ballast waters originate from, and the recipient port, that is the Police harbour where the ballast waters get dumped, as well as defining the time and the area of the voyage. The aim of the conducted analysis was to identify the ballast waters donor ports of the highest risk category for the Police harbour. In order to carry out the analysis it was indispensable to enclose information about the donor ports of the ballast waters dumped in the Police harbour. The list of the donor ports needed to be completed with data concerning the donor ports waters salinity and temperature. Then the time of the vessel journey from the donor port to the Police harbour had to be defined and the donor ports required to be qualified as the Baltic or outside the Baltic Sea ports. Although for most vessels the place and time of ballasting are recoded in a proper log book, according to the recommended IMO guidelines, Res. A.868(20), there has not existed any system collecting the data. That is why neither in the ports of the vessels call, nor in the harbor board such data appear to be accessible. The Research Methodology In order to define the origin of ballast waters dumped to the water basin of the Police harbour the database contained in the Polish Harbors Information and Control System PHICS has been made used of [7]. On the basis of the data concerning the year 2009 there have been selected all vessels that arrived at the Police harbour under ballast assuming that their last port of call was the ballast waters donor port. All water ballast donor ports have been assigned to the bio-geographical regions according to the division of Large marine ecosystems of the world (LMG), according to the guidelines of the IMO Committee of the Sea Environmental Protection contained in the MEPC 162(56) Resolution Guidelines for risk assessment under regulation A-4 (G7) (tab. 1, fig. 1) [8, 9, 10] Fig. 1. Large marine ecosystems of the world [11] Rys. 1. Morskie ekosystemy świata [11] Zeszyty Naukowe 19(91) 59

60 Zofia Jóźwiak Then each of the donor ports conditions has been compared to the Police harbour with reference to the water salinity and temperature. There has been calculated the time between the vessel s setting out on a voyage to Police (taking the ballast waters) and her time of arrival in Police (ballast waters dump) as well as the donor ports have been locatedwithin the Baltic area (+) and outside the Baltic area ( ). It has also been assumed that vessels dumped their ballast waters right after their arrival in Police. The time of the voyage has been calculated by means of a voyage calculator placed on World Shipping Register Sea Distances and Voyage Calculator [11]. For calculating the voyage time 16 knots has been accepted as the vessel s average speed [12]. Table 1. Large marine ecosystems of the world [10] Tabela 1. Morskie ekosystemy świata [10] 1. East Bering Sea 2. Gulf of Alaska 3. California Current 4. Gulf of California 5. Gulf of Mexico 6. SE U.S. Continental Shelf 7. NE U.S. Continental Shelf 8. Scotian Shelf 9. Newfoundland-Labrador Shelf 10. Insular Pacific-Hawaiian 11. Pacific Central-American Coastal 12. Caribbean Sea 13. Humboldt Current 14. Patagonian Shelf 15. South Brazil Shelf 16. East Brazil Shelf 17. North Brazil Shelf 18. West Greenland Shelf 19. East Greenland Shelf 20. Barents Sea 21. Norwegian Shelf 22. North Sea 23. Baltic Sea 24. Celtic-Biscay Shelf 25. Iberian Coastal 26. Mediterranean Sea 27. Canary Current 28. Guinea Current 29. Benguela Current 30. Agulhas Current 31. Somali Coastal Current 32. Arabian Sea Salinity risk assessment 33. Red Sea 34. Bay of Bengal 35. Gulf of Thailand 36. South China Sea 37. Sulu-Celebes Sea 38. Indonesian Sea 39. North Australian Shelf 40. Northeast Australian Shelf 41. East-Central Australian Shelf 42. Southwest Australian Shelf 43. Southwest Australian Shelf 44. West-Central Australian Shelf 45. Northwest Australian Shelf 46. New Zealand Shelf 47. East China Sea 48. Yellow Sea 49. Kuroshio Current 50. Sea of Japan 51. Oyashio Current 52. Sea of Okhotsk 53. West Bering Sea 54. Chukchi Sea 55. Beaufort Sea 56. East Siberian Sea 57. Laptev Sea 58. Kara Sea 59. Iceland Shelf 60. Faroe Plateau 61. Antarctica 62. Black Sea 63. Hudson Bay 64. Arctic Ocean The risk of the water basin salinity level of the donor port where the ships under ballast arrive from can be high, medium or low [3, 5, 6, 13, 14]. The risk can be expressed in numbers from 3 to 1. The salinity ranges attributed to each of the particular risk levels for the port of Police have been presented in table 2. Table 2. Port waters salinity risk assessment Tabela 2. Ryzyko związane z zasoleniem wód portowych Salinity level in the Police harbour 0 Salinity level [ ] Risk Scale of risk 0 3 high 3 > 3, < 7 low 2 > 7 medium 1 Temperature risk assessment The temperature risk of donor port waters can be high (3 points), medium (2 points) or low (1 point) depending upon the temperature conditions similarities. According to the areas of ballasting the ships sailing to the Police harbour there have been outlined 2 risk areas: 1) Eastern-Atlantic-Boreal Region EAB high risk zone 3 points. 2 Mediterranean-Atlantic Region MA medium risk zone 2 points. Voyage time risk assessment The ballast water tests have proved that when the voyage time is getting prolonged the number of the organisms living in the ballast waters decreases [13]. Thus, short voyages from not distant ports appear to be the highest category risk. Moreover, considerable changes in ballast waters biological composition have been noticed after 3 and 10 days of ballast waters transport in tanks; after the first 3 days the biggest decrease in number of living organisms has occurred; but after 10 days of the journey most of the other left organisms have died [15]. Risk range related to the voyage time has been presented in table 3. Table 3. Voyage time risk Tabela 3. Ryzyko związane z czasem trwania rejsu Voyage time [days] Risk Scale of risk < 3 high medium 2 > 10 low 1 Risk assessment of the voyage route In order to assess the risk there have been two types of voyages enumerated: from the Baltic ports, from the ports outside the Baltic Sea. 60 Scientific Journals 19(91)

61 Ecological risk assessment for ballast waters introductions into the Police harbour basins In case of voyages in the area of the Baltic Sea the risk concerning the voyage route has been assumed to be low (1point) and high (3 points) in case of donor ports outside the Baltic Sea area. Total risk assessment In order to assess the total risk (R) all points achieved for the particular risk factors (salinity A, temperature B, voyage time C, voyage route D) have been summed up according to the formula: A + B + C + D = R The maximum potential number of points a donor port may achieve is 12. The accepted total risk according to Gollasch and other authors may appear on 4 levels as very high, high, medium and low (tab. 4). Table 4. Total risk assessment Tabela 4. Ocena ryzyka całkowitego Risk Scale of risk [points] Very high 12 High 11 Medium 9 10 Low < 8 Description of the results Risk assessment has been analyzed for 31 donor ports, that are the ports which are left for the Police harbour by vessels under ballast due to which enlisting ports of very high and high risk category as well as medium and low risk category has become possible. Precise results of the assessment have been enclosed in annex 1. There have been identified 3 ports whose ballast waters dumped into the Police harbour cause very high risk of alien species introductions. These are European ports situated by the North Sea (two German and one Dutch). The ports of high risk category are situated by the North Sea and the North Atlantic Ocean (2 German and 1 Portuguese). In case of Police the donor ports of very high risk category make 10% of all the considered ports. Recapitulation In 2009 the Police harbour was entered by vessels arriving from the ports situated at the coast of the Baltic Sea (bio-region 23), the Norwegian Sea (21), the North Sea (22), the coasts of Ireland and Great Britain (24), the coasts of Iberian Peninsula from the Atlantic Ocean (25), the Mediterranean Sea (26). Out of the 31 ports the ballast waters are transported from to the Police harbour (annex 1) there are 3 donor ports (10%) of very high risk category, 2 ports of high risk category (6%), 15 ports of medium risk category (48%) and 11 ports (36%) of low risk category (fig. 2). Among the ports which the ballast waters taken from appear the most risky to the environment of the Police harbour there should be enumerated the following ones: Bremen, Hamburg (Germany), Rotterdam (Holland), Gunness (Great Britain) and Lisboa (Portugal). It is worth mentioning that these appear to be big ports called at by vessels from all over the world and their waters can be strongly polluted with various kinds of fauna and flora organisms brought there literally from the whole world. It seems reasonable to broaden the above research by testing ballast waters and sediments for the species contained in the transported waters. References Low risk 36% Very high risk 10% High risk 6% Medium risk 48% Fig. 2. Risk category for donor ports [%] Rys. 2. Kategoria ryzyka dla portów donorowych [%] 1. DOBLIN M., REID F., DOBBS D. AND OTHER: Assessment of Transoceanic Nobob Vessels and Low-Salinity Ballast Water as Vectors for Nonindigenous Species Introductions to the Great Lakes. Proceedings of the Second International Conference on Marine Bioinvasions, New Orleans, La., April 9 11, 2001, DRAKE L, MEYER A, FORSBERG R. AND OTHER: Potential invasion of microorganisms and pathogens via interior hull fouling : biofilms inside ballast water tanks. Biological Invasions 7, 2005, SANTAGATA S., ZITA R. GASIŰNAITE Z.R. AND OTHER: Effect of osmotic shock as a management strategy to reduce transfers of nonindigenous species among low-salinity ports by ships. Aquatic Invasions, Volume 3, Issue 1, 2008, LOCKE A., REID D., LEEUWEN H.C. AND OTHER: Ballast water exchange as a means of controlling dispersal of freshwater organisms by ships. Can. J. Fish. Aquat. Sci. 50, 1993, GOLLASCH S., LEPPÄKOSKI E.: Initial Risk Assessment of Alien Species in Nordic Coastal waters. Nodic Council of Ministers, Copenhagen GOLLASCH S., LEPPÄKOSKI E.: Risk assessment and management scenarios for ballast water mediated species introductions into the Baltic Sea. Aquatic Invasions, Volume 2, Issue 4, 2007, Zeszyty Naukowe 19(91) 61