Наклонение судна. Поперечная остойчивость судна
Способность судна держаться на плаву, не переворачиваться и не идти ко дну при затоплении характеризуется его мореходными качествами. К ним относятся: плавучесть, остойчивость и непотопляемость .
Плавучесть
Плавучесть - это способность судна держаться на поверхности воды, имея заданную осадку при определенном количестве груза и людей на борту.
На судно, находящееся на спокойной воде, постоянно действуют две силы: сила тяжести (веса) и сила поддержания (выталкивания). Судно держится на плаву благодаря тому, что силы тяжести, направленные вниз (ко дну), уравновешиваются выталкивающими силами воды, которые возникают в результате гидростатического давления на корпус судна. Равнодействующая сил тяжести судна (D), которое находится на ровном киле (рис. 12 ), приложена в точке, которая называется центром тяжести (ЦТ), а точка приложения равнодействующей выталкивающих сил (сила - С) называется центром величины (ЦВ).
Рис. 12 . Силы тяжести и поддержания. поддержания
Чтобы судно находилось в равновесии, силы тяжести и поддержания должны быть равны по величине и направлены в противоположные стороны по одной вертикали. В случае течи в корпусе или пробоины, а также попадания воды во время штормовой погоды внутрь судна, увеличивается его масса. Поэтому судно должно иметь запас плавучести.
Запас плавучести - это непроницаемый (для воды) объем корпуса судна, находящийся выше действующей ватерлинии. При отсутствии запаса плавучести судно затонет. Необходимый для безопасного плавания судна запас плавучести обеспечивается приданием судну в процессе проектирования достаточной высоты надводного борта, а также наличия водонепроницаемых закрытий и переборок между отсеками. При отсутствии таких переборок любая пробоина подводной части корпуса приводит к полной потере запаса плавучести и гибели судна.
Запас плавучести зависит от высоты надводного борта - чем выше надводный борт, тем больше запас плавучести. Этот запас нормируется минимальной высотой надводного борта, в зависимости от величины которой для конкретного маломерного судна устанавливаются район плавания и допустимое удаление от берега. Однако следует знать, что чрезмерное (произвольное) увеличение высоты надводного борта отрицательно влияет на не менее важное другое качество судна - остойчивость.
Остойчивость
Остойчивость - это способность судна противостоять силам (ветер, волна, перемещение пассажиров и др.). вызывающим его наклонение, а после прекращения действия этих сил возвращаться в первоначальное положение равновесия.
Различают два вида остойчивости: поперечную и продольную. Поперечная остойчивость проявляется при крене судна, т.е. при наклонениях его на борт. Если силы, вызывающие наклонение судна, действуют медленно, то остойчивость называют статической, а если быстро, то динамической. Рассмотрим действие сил, наклоняющих судно (рис. 13 ).
Рис. 13 . Силы тяжести и поддержания.
Центр тяжести (ЦТ) при наклонении остается на месте, но центр величины (ЦВ) из-за изменения формы подводной части переместится в новую точку ЦВГ Силы веса D и поддержания С = γV теперь уже действуют не на одной прямой, а образуют восстанавливающий момент, равный Мв = DI, который стремится вернуть судно в исходное положение. При этом крен будет увеличиваться до тех пор, пока не наступит равенство кренящего и восстанавливающего моментов (Мкр = Мв). Если это равенство сохранится, то судно будет иметь постоянный крен. Например, такое положение можно наблюдать при движении идущей под парусом лодки при устойчивом боковом ветре. Но стоит только измениться силе ветра либо его направлению, или пассажирам пересесть ближе к борту, как немедленно изменится и крен лодки. При увеличении крена величина восстанавливающего момента сначала увеличивается, достигает максимального значения, а со входом палубы в воду начинает уменьшаться. Когда Мв = 0, судно теряет остойчивость, т.е. опрокидывается. Учитывая, что в формуле Мв = DL, величина D остается неизменной, момент опрокидывания наступает при условии, что величина плеча остойчивости L достигает нуля и далее изменяет свой знак на минус (отрицательная остойчивость). Для сравнения остойчивости судов недостаточно знать остойчиво оно или нет, нужно уметь измерить это свойство количественно.
Точка пересечения линии действия силы поддержания (С) с диаметральной плоскостью судна (DП) называется метацентром (точка М). Плечо остойчивости будет показателем остойчивости судна, но этим показателем пользуются только при больших углах крена. При малых углах крена (Ө = 10-15°) для определения так называемой начальной остойчивости пользуются метацентрической высотой h. Плечо остойчивости зависит от метацентрической высоты (h) и от угла крена (Ө), но при малых углах крена восстанавливающий момент (Мв) увеличивается пропорционально углу крена, поэтому мета центрическая высота при малых углах будет мерой начальной остойчивости.
У килевых маломерных судов начальная метацентрическая высота равна, как правило, 0,3 - 0,6 м. Остойчивость судна зависит от взаимного расположения ЦТ и ЦВ, которые перемещаются в зависимости от загрузки судна, перемещения грузов, пассажиров и от других причин. Чем больше метацентрическая высота, тем больше восстанавливающий момент и остойчивее судно, однако при большой остойчивости судно имеет резкую качку.
При шквальном ветре, сильном ударе волны о борт и в некоторых других случаях крен судна увеличивается быстро и возникает динамический кренящий момент. В этом случае крен судна будет увеличиваться и после достижения равенства кренящего и восстанавливающего моментов. Это происходит из-за действия силы инерции. Обычно такой крен в два раза больше крена от статического действия такого же кренящего момента. Поэтому плавание в штормовую погоду, особенно маломерных судов, очень опасно. Продольная остойчивость действует при наклонениях судна на нос или корму, т.е. при килевой качке. Эту остойчивость судоводителю следует учитывать при движении на больших скоростях во время волнения, т.к. "зарывшись" носом в воду катер или мотолодка может не восстановить своего первоначального положения и затонуть, а иногда и перевернуться.
Факторы влияющие на остойчивость судна
Существую определённые факторы, которые имеют сильное влияние на остойчивость судна.
К таким факторам, которые необходимо учитывать при эксплуатации маломерного судна , следует отнести:
- На остойчивость судна наиболее ощутимо влияет его ширина: чем больше она по отношению к его длине, высоте борта и осадке, тем выше остойчивость. У более широкого судна больше восстанавливающий момент.
- Остойчивость небольшого судна повышается, если изменить форму погруженной части корпуса при больших углах крена. На этом утверждении, например, основано действие бортовых булей и пенопластового привального бруса, которые при погружении в воду создают дополнительный восстанавливающий момент.
- Остойчивость ухудшается при наличии на судне топливных баков с зеркалом поверхности от борта до борта, поэтому эти баки должны иметь перегородки, установленные параллельно диаметральной плоскости судна, или быть сужены в своей верхней части.
- На остойчивость наиболее сильно влияет размещение на судне пассажиров и грузов, их следует располагать как можно ниже. Нельзя допускать на судне малых размеров во время его движения сидение людей на борту и их произвольное перемещение. Грузы должны быть надежно закреплены, чтобы исключить их неожиданное смещение со штатных мест.
- При сильном ветре и волнении действие кренящего момента (особенно динамического) очень опасно для судна, поэтому с ухудшением погодных условий необходимо отвести судно в укрытие и переждать непогоду. Если этого сделать невозможно из-за значительного расстояния до берега, то в штормовых условиях нужно стараться держать судно "носом на ветер", выбросив плавучий якорь и работая двигателем на малом ходу.
Непотопляемость
Непотопляемость - это способность судна после затопления части судовых помещений сохранять плавучесть, остойчивость и частично другие качества. Непотопляемость обеспечивается делением корпуса на водонепроницаемые отсеки (помещения), устройством двойного дна, оборудованием судна водоотливными средствами. Судно , оборудованное водонепроницаемыми переборками, должно оставаться на плаву щ затоплении одного любого отсека. Маломерное судно без переборок, получив пробоину, также при поступлении воды в корпус должно не только оставаться на плаву, но и иметь избыточный запас плавучести, предназначенный для того, чтобы пассажиры, находясь в воде, могли держаться за корпус аварийного судна. Незатапливаемые объемы корпуса чаще всего представляют собой блоки из пенопласта. Необходимое его количество и расположение рассчитываются для обеспечения аварийного запаса плавучести и поддержания аварийного судна в положении "на ровном киле". Безусловно, что в условиях сильного волнения далеко не каждая получившая пробоину моторная лодка и катер обеспечат выполнение этих требований.
Остойчивостью называется способность судна, отклоненного от положения равновесия, возвращаться к нему после прекращения действия сил, вызвавших отклонение.
Наклонения судна могут происходить от действия набегающих волн, из-за несимметричного затопления отсеков при пробоине, от перемещения грузов, давления ветра, из-за приема или расходования грузов.
Наклонения судна в поперечной плоскости называют креном, а в продольной - дифферентом. Углы, образующиеся при этом, обозначают соответственно θ и ψ
Остойчивость, которую судно имеет при продольных наклонениях, называют продольной. Она, как правило, довольно велика, и опасности опрокидывания судна через нос или корму никогда не возникает.
Остойчивость судна при поперечных наклонениях называется поперечной. Она является наиболее важной характеристикой судна, определяющей его мореходные качества.
Различают начальную поперечную остойчивость при малых углах крена (до 10 - 15°) и остойчивость при больших наклонениях, так как восстанавливающий момент при малых и больших углах крена определяется различными способами.
Начальная остойчивость. Если судно под действием внешнего кренящего момента МКР (например, давления ветра) получит крен на угол θ (угол между исходной WL0 и действующей WL1 ватерлиниями), то, вследствие изменения формы подводной части судна, центр величины С переместится в точку С1 (рис. 5). Сила поддержания yV будет приложена в точке C1 и направлена перпендикулярно к действующей ватерлинии WL1. Точка М находится на пересечении диаметральной плоскости с линией действия сил поддержания и называется поперечным метацентром. Сила веса судна Р остается в центре тяжести G. Вместе с силой yV она образует пару сил, которая препятствует наклонению судна кренящим моментом МКР. Момент этой пары сил называется восстанавливающим моментом МВ. Величина его зависит от плеча l=GK между силами веса и поддержания наклоненного судна: MВ = Pl =Ph sin θ, где h - возвышение точки М над ЦТ судна G, называемое поперечной метацентрической высотой судна.
Из формулы видно, что величина восстанавливающего момента тем больше, чем больше h. Следовательно, метацентрическая высота может служить мерой остойчивости для данного судна.
Величина h данного судна при определенной осадке зависит от положения центра тяжести судна. Если грузы расположить так, чтобы центр тяжести судна занял более высокое положение, то метацентрическая высота уменьшится, а вместе с ней - плечо статической остойчивости и восстанавливающий момент, т. е. остойчивость судна понизится. При понижении положения центра тяжести метацентрическая высота увеличится, остойчивость судна повысится.
Так как для малых углов их синусы приближенно равны величине углов, измеренных в радианах, то можно записать МВ = Рhθ.
Метацентрическую высоту можно определить из выражения h = r + zc - zg, где zc - возвышение ЦВ над ОЛ; r - поперечный метацентрический радиус, т. е. возвышение метацентра над ЦВ; zg - возвышение ЦТ судна над основной.
На построенном судне начальную метацентрическую высоту определяют опытным путем - кренованием, т. е. поперечным наклонением судна путем перемещения груза определенного веса, называемого крен-балластом.
Остойчивость на больших углах крена. По мере увеличения крена судна восстанавливающий момент сначала возрастает, затем уменьшается, становится равным нулю и далее не только не препятствует наклонению, а наоборот, способствует ему
Так как водоизмещение для данного состояния нагрузки постоянно, то восстанавливающий момент изменяется только вследствие изменения плеча поперечной остойчивости lст. По расчетам поперечной остойчивости на больших углах крена строят диаграмму статической остойчивости, представляющую собой график, выражающий зависимость lст от угла крена. Диаграмму статической остойчивости строят для наиболее характерных и опасных случаев нагрузки судна.
Пользуясь диаграммой, можно определить угол крена по известному кренящему моменту или, наоборот, по известному углу крена найти кренящий момент. По диаграмме статической остойчивости можно определить начальную метацентрическую высоту. Для этого от начала координат откладывают радиан, равный 57,3°, и восстанавливают перпендикуляр до пересечения с касательной к кривой плеч остойчивости в начале координат. Отрезок между горизонтальной осью и точкой пересечения в масштабе диаграммы и будет равен начальной метацентрической высоте.
При медленном (статическом) действии кренящего момента состояние равновесия при крене наступает, если соблюдается условие равенства моментов, т. е. МКР = МВ
При динамическом действии кренящего момента (порыв ветра, рывок буксирного троса на борт) судно, наклоняясь, приобретает угловую скорость. Оно по инерции пройдет положение статического равновесия и будет продолжать крениться до тех пор, пока работа кренящего момента не станет равной работе восстанавливающего.
Величину, угла крена при динамическом действии кренящего момента можно определить по диаграмме статической остойчивости. Горизонтальную линию кренящего момента продолжают вправо до тех пор, пока площадь ОДСЕ (работа кренящего момента) не станет равной площади фигуры ОБЕ (работа восстанавливающего момента). При этом площадь ОАСЕ является общей, поэтому можно ограничиться сравнением площадей ОДА и ABC.
Если же площадь, ограниченная кривой восстанавливающих моментов, окажется недостаточной, то судно опрокинется.
Остойчивость морских судов должна отвечать требованиям Регистра, в соответствии с которыми необходимо выполнение условия (так называемого критерия погоды): К=Mопрмин / Мднmax ≥ 1» где Mопрмин - минимальный опрокидывающий момент (минимальный динамически приложенный кренящий момент с учетом качки), под действием которого судно еще не потеряет остойчивость; Мднmax - динамически приложенный кренящий момент от давления ветра при наихудшем в отношении остойчивости варианте загрузки.
В соответствии с требованиями Регистра максимальное плечо диаграммы статической остойчивости lmax должно быть не менее 0,25 м для судов длиной 85 м и не менее 0,20 м для судов более 105 м при угле крена θ более 30°. Угол заката диаграммы (угол, при котором кривая плеч остойчивости пересекает горизонтальную ось) для всех судов должен быть не менее 60°.
Влияние жидких грузов на остойчивость. Если цистерна заполнена не доверху, т. е. в ней имеется свободная поверхность жидкости, то при наклонении жидкость перельется в сторону крена и центр тяжести судна сместится в ту же сторону. Это приведет к уменьшению плеча остойчивости, а следовательно, к уменьшению восстанавливающего момента. При этом чем шире цистерна, в которой имеется свободная поверхность жидкости, тем значительнее будет уменьшение поперечной остойчивости. Для уменьшения влияния свободной поверхности целесообразно уменьшать ширину цистерн и стремиться к тому, чтобы во время эксплуатации было минимальное количество цистерн со свободной поверхностью жидкости.
Влияние сыпучих грузов на остойчивость. При перевозке сыпучих грузов (зерна) наблюдается несколько иная картина. В начале наклонения груз не перемещается. Только когда угол крена превысит угол естественного откоса, груз начинает пересыпаться. При этом пересыпавшийся груз не вернется в прежнее положение, а, оставшись у борта, создаст остаточный крен, что при повторных кренящих моментах (например, шквалах) может привести к потере остойчивости и опрокидыванию судна.
Для предотвращения пересыпания зерна в трюмах устанавливают подвесные продольные полупереборки - шифтинг-бордсы либо укладывают поверх насыпанного в трюме зерна мешки с зерном (мешкование груза).
Влияние подвешенного груза на остойчивость. Если груз находится в трюме, то при подъеме его, например краном, происходит как бы мгновенный перенос груза в точку подвеса. В результате ЦТ судна сместится вертикально вверх, что приведет к уменьшению плеча восстанавливающего момента при получении судном крена, т. е. к уменьшению остойчивости. При этом уменьшение остойчивости будет тем больше, чем больше масса груза и высота его подвеса.
- В зависимости от плоскости наклонения различают поперечную остойчивость при крене и продольную остойчивость при дифференте . Применительно к надводным кораблям (судам), из-за удлинённости формы корпуса судна его продольная остойчивость значительно выше поперечной, поэтому для безопасности плавания наиболее важно обеспечить надлежащую поперечную остойчивость.
- В зависимости от величины наклонения различают остойчивость на малых углах наклонения (начальную остойчивость ) и остойчивость на больших углах наклонения.
- В зависимости от характера действующих сил различают статическую и динамическую остойчивость.
Начальная поперечная остойчивость
При крене остойчивость рассматривается как начальная при углах до 10-15°. В этих пределах восстанавливающее усилие пропорционально углу крена и может быть определено при помощи простых линейных зависимостей.
При этом делается допущение, что отклонения от положения равновесия вызываются внешними силами, которые не изменяют ни вес судна, ни положение его центра тяжести (ЦТ). Тогда погруженный объем не изменяется по величине, но изменяется по форме. Равнообъемным наклонениям соответствуют равнообъемные ватерлинии , отсекающие равные по величине погруженные объемы корпуса. Линия пересечения плоскостей ватерлиний называется осью наклонения, которая при равнообъемных наклонениях проходит через центр тяжести площади ватерлинии. При поперечных наклонениях она лежит в диаметральной плоскости .
Свободные поверхности
Все рассмотренные выше случаи предполагают, что центр тяжести судна неподвижен, то есть нет грузов, которые перемещаются при наклонении. Но когда такие грузы есть, их влияние на остойчивость значительно больше остальных.
Типичным случаем являются жидкие грузы (топливо, масло, балластная и котельная вода) в цистернах, заполненных частично, то есть имеющих свободные поверхности . Такие грузы способны переливаться при наклонениях. Если жидкий груз заполняет цистерну полностью, он эквивалентен твердому закрепленному грузу.
Влияние свободной поверхности на остойчивость
Если жидкость заполняет цистерну не полностью, то есть имеет свободную поверхность, занимающую всегда горизонтальное положение, то при наклонении судна на угол θ жидкость переливается в сторону наклонения. Свободная поверхность примет такой же угол относительно КВЛ.
Уровни жидкого груза отсекают равные по величине объёмы цистерн, то есть они подобны равнообъёмным ватерлиниям. Поэтому момент, вызываемый переливанием жидкого груза при крене δm θ , можно представить аналогично моменту остойчивости формы m ф, только δm θ противоположно m ф по знаку:
δm θ = − γ ж i x θ,где i x - момент инерции площади свободной поверхности жидкого груза относительно продольной оси, проходящей через центр тяжести этой площади, γ ж - удельный вес жидкого груза
Тогда восстанавливающий момент при наличии жидкого груза со свободной поверхностью:
m θ1 = m θ + δm θ = Phθ − γ ж i x θ = P(h − γ ж i x /γV)θ = Ph 1 θ,где h - поперечная метацентрическая высота в отсутствие переливания, h 1 = h − γ ж i x /γV - фактическая поперечная метацентрическая высота.
Влияние переливающегося груза дает поправку к поперечной метацентрической высоте δ h = − γ ж i x /γV
Плотности воды и жидкого груза относительно стабильны, то есть основное влияние на поправку оказывает форма свободной поверхности, точнее ее момент инерции. А значит, на поперечную остойчивость в основном влияет ширина, а на продольную длина свободной поверхности.
Физический смысл отрицательного значения поправки в том, что наличие свободных поверхностей всегда уменьшает остойчивость. Поэтому принимаются организационные и конструктивные меры для их уменьшения:
- полная запрессовка цистерн, чтобы не допускать свободных поверхностей
- если это невозможно, заполнение под горловину, или наоборот, только на дне. В этом случае любое наклонение резко уменьшает площадь свободной поверхности.
- контроль числа цистерн, имеющих свободные поверхности
- разбивка цистерн внутренними непроницаемыми переборками, с целью уменьшения момента инерции свободной поверхности i x
Когда к судну прикладывается кренящий момент m кр , постоянный по величине, оно получает положительное ускорение, с которым начинает крениться. По мере наклонения возрастает восстанавливающий момент, но вначале, до угла θ ст , при котором m кр = m θ , он будет меньше кренящего. По достижении угла статического равновесия θ ст , кинетическая энергия вращательного движения будет максимальной. Поэтому судно не останется в положении равновесия, а за счет кинетической энергии будет крениться дальше, но замедленно, поскольку восстанавливающий момент больше кренящего. Накопленная ранее кинетическая энергия погашается избыточной работой восстанавливающего момента. Как только величина этой работы будет достаточной для полного погашения кинетической энергии, угловая скорость станет равной нулю и судно перестанет крениться.
Наибольший угол наклонения, которое получает судно от динамического момента, называется динамическим углом крена θ дин . В отличие от него угол крена, с которым судно будет плавать под действием того же момента (по условию m кр = m θ ), называется статическим углом крена θ ст .
Если обратиться к диаграмме статической остойчивости, работа выражается площадью под кривой восстанавливающего момента m в . Соответственно, динамический угол крена θ дин можно определить из равенства площадей OAB и BCD , соответствующих избыточной работе восстанавливающего момента. Аналитически та же работа вычисляется как:
,на интервале от 0 до θ дин .
Достигнув динамического угла крена θ дин , судно не приходит в равновесие, а под действием избыточного восстанавливающего момента начинает ускоренно спрямляться. При отсутствии сопротивления воды судно вошло бы в незатухающие колебания около положения равновесия при крене θ ст / под ред. Физическая энциклопедия
Судна, способность судна противостоять внешним силам, вызывающим его Крен или дифферент, и возвращаться в первоначальное положение равновесия после прекращения их действия; одно из важнейших мореходных качеств судна. О. при крене… … Большая советская энциклопедия
Качество корабля находиться в равновесии в прямом положении и, будучи из него выведенным действием какой либо силы, снова к нему возвращаться по прекращении ее действия. Это качество одно из важнейших для безопасности плавания; было много… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Ж. Способность судна плавать в прямом положении и выпрямляться после наклонения. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
Остойчивость, остойчивости, остойчивости, остойчивостей, остойчивости, остойчивостям, остойчивость, остойчивости, остойчивостью, остойчивостями, остойчивости, остойчивостях (
Остойчивостью называется способность судна противодействовать силам, отклоняющим его от положения равновесия, и возвращаться в первоначальное положение равновесия после прекращения действия этих сил.
Полученные условия равновесия судна не являются достаточными для того, чтобы оно постоянно плавало в заданном положении относительно поверхности воды. Необходимо еще, чтобы равновесие судна было устойчивым. Свойство, которое в механике именуется устойчивостью равновесия, в теории судна принято называть остойчивостью. Таким образом, плавучесть обеспечивает условия положения равновесия судна с заданной посадкой, а остойчивость – сохранение этого положения.
Остойчивость судна меняется с увеличением угла наклонения и при некотором его значении полностью утрачивается. Поэтому представляется целесообразным исследование остойчивости судна на малых (теоретически бесконечно малых) отклонениях от положения равновесия с Θ = 0, Ψ = 0, а затем уже определять характеристики его остойчивости, их допустимые пределы при больших наклонениях.
Принято различать остойчивость судна при малых углах наклонения (начальную остойчивость) и остойчивость на больших углах наклонения .
При рассмотрении малых наклонений имеется возможность принять ряд допущений, позволяющих изучить начальную остойчивость судна в рамках линейной теории и получить простые математические зависимости ее характеристик. Остойчивость судна на больших углах наклонения изучается по уточненной нелинейной теории. Естественно, что свойство остойчивости судна единое и принятое разделение носит чисто методический характер.
При изучении остойчивости судна рассматривают его наклонения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях – поперечной и продольной. При наклонениях судна в поперечной плоскости, определяемых углами крена, изучают его поперечную остойчивость ; при наклонениях в продольной плоскости, определяемых углами дифферента, изучают его продольную остойчивость .
Если наклонение судна происходит без значительных угловых ускорений (перекачивание жидких грузов, медленное поступление воды в отсек), то остойчивость называют статической .
В ряде случаев наклоняющие судно силы действуют внезапно, вызывая значительные угловые ускорения (шквал ветра, накат волны и т.п.). В таких случаях рассматривают динамическую остойчивость.
Остойчивость - очень важное мореходное свойство судна; вместе с плавучестью оно обеспечивает плавание судна в заданном положении относительно поверхности воды, необходимом для обеспечения хода и маневра. Уменьшение остойчивости судна может вызвать аварийный крен и дифферент, а полная потеря остойчивости - его опрокидывание.
Чтобы не допустить опасного уменьшения остойчивости судна все члены экипажа обязаны:
Всегда иметь четкое представление об остойчивости судна;
Знать причины, уменьшающие остойчивость;
Знать и уметь применять все средства и меры по поддержанию и восстановлению остойчивости.
Найдем условие, при соблюдении которого судно, плавающее в состоянии равновесия без крена и дифферента, будет обладать начальной остойчивостью. Полагаем, что грузы при наклонении судна не смещаются и ЦТ судна остается в точке, соответствующей исходному положению.
При наклонениях судна сила тяжести Р и силы плавучести γV образуют пару, момент которой определенным образом воздействует на судно. Характер этого воздействия зависит от взаимного расположения ЦТ и метацентра.
Рисунок 3.9 - Первый случай остойчивости судна
Возможны три характерных случая состояния судна для которых воздействие на него момента сил Р и γV качественно различно. Рассмотрим их на примере поперечных наклонений.
1-й случай (рисунок 3.9) - метацентр располагается выше ЦТ, т.е. z m > z g . В данном случае возможно различное расположение центра величины относительно центра тяжести.
1) В начальном положении центр величины (точка С 0), располагается ниже центра тяжести (точка G) (рисунок 3.9, а), но при наклонении центр величины смещается в сторону наклонения настолько сильно, что метацентр (точка m) располагается выше центра тяжести судна. Момент сил Р и γV стремится вернуть судно в исходное положение равновесия, и поэтому оно остойчиво. Подобное расположение точек m, G и С 0 встречается на большинстве судов.
2) В начальном положении центр величины (точка С 0), располагается выше центра тяжести (точка G) (рисунок 3.9,б). При наклонении судна возникающий момент сил Р и γV выпрямляет судно, и поэтому оно остойчиво. В данном случае, независимо от размеров смещения центра величины при наклонении, пара сил всегда стремится выпрямить судно. Это объясняется тем, что точка G лежит ниже точки С 0 . Такое низкое положение центра тяжести обеспечивающая безусловную остойчивость на судах трудно осуществить конструктивно. Такое расположение центра тяжести можно встретить в частности, на парусных яхтах.
Рисунок 3.10 - Второй и третий случай остойчивости судна
2-й случай (рисунок 3.10,а) – метацентр располагается ниже ЦТ, т.е. z m < z g . В этом случае при наклонении судна момент сил Р и γV стремится еще больше отклонить судно от исходного положения равновесия, которое, следовательно, является неустойчивым. В этом случае наклонения судно имеет отрицательный восстанавливающий момент, т.е. оно не остойчиво.
3-й случай (рисунок 3.10,б) – метацентр совпадает с ЦТ, т.е. z m = z g . В этом случае при наклонении судна силы Р и γV продолжают действовать по одной вертикали, момент их равен нулю – судно и в новом положении будет находиться в состоянии равновесия. В механике – этот случай безразличного равновесия.
С точки зрения теории судна в соответствии с определением остойчивости судна судно в 1-м случае остойчиво, а во 2 и 3-м – не остойчиво.
Итак, условием начальной остойчивости судна является расположение метацентра выше ЦТ. Судно обладает поперечной остойчивостью, если z m > z g , (3.7)
и продольной остойчивостью, если z м > z g . (3.8)
Отсюда становится ясным физический смысл метацентра. Эта точка является пределом, до которого можно поднимать центр тяжести не лишая судно положительной начальной остойчивости.
Расстояние между метацентром и ЦТ судна при Ψ = Θ = 0 называют начальной метацентрической высотой или просто метацентрической высотой. Поперечной и продольной плоскости наклонения судна отвечают соответственно поперечная h и продольная H метацентрические высоты. Очевидно, что
h = z m – z g и H = z м – z g , (3.9)
или h = z c + r – z g и H = z c + R – z g , (3.10)
h = r – α и H = R – α, 3.11)
где α = z g – z c – возвышение ЦТ над ЦВ.
Как видно h и H различаются только метацентрическими радиусами, т.к. α является одной и той же величиной.
, поэтому H значительно больше h.
α = (1 %) R, поэтому на практике считают, что H = R.
Непотопляемость судна
Непотопляемостью называется способность судна после затопления части помещений сохранять достаточную плавучесть и остойчивость. Непотопляемость, в отличие от плавучести и остойчивости, не является самостоятельным мореходным качеством судна. Непотопляемостью можно назвать свойство судна сохранять свои мореходные качества при затоплении части водонепроницаемого объема корпуса, а теорию непотопляемости можно характеризовать как теорию плавучести и остойчивости поврежденного судна.
Судно, обладающее хорошей непотопляемостью, при затоплении одного или нескольких отсеков должно, прежде всего, оставаться на плаву и обладать достаточной остойчивостью, не допускающей его опрокидывания. Кроме того, судно не должно утрачивать ходкость, которая зависит от осадки, крена и дифферента. Увеличение осадки, значительный крен и дифферент повышают сопротивление воды движению судна и ухудшают эффективность работы винтов и судовых механизмов. Судно должно также сохранять управляемость, которая при исправном рулевом устройстве зависит от крена и дифферента.
Непотопляемость является одним из элементов живучести судна, поскольку потеря непотопляемости связана с тяжелейшими последствиями – гибелью судна и людей, поэтому ее обеспечение является одной из важнейших задач, как для судостроителей, так и для экипажа. На практике непотопляемость обеспечивается на всех этапах жизни судна: судостроителями на стадиях проектирования, постройки и ремонта судна; экипажем в процессе эксплуатации неповрежденного судна; экипажем непосредственно в аварийной ситуации. Из такого подразделения следует, что непотопляемость обеспечивается тремя комплексами мероприятий:
Конструктивными мероприятиями, которые проводятся при проектировании, постройке и ремонте судна;
Организационно-техническими мероприятиями, которые являются предупредительными и проводятся во время эксплуатации судна;
Мероприятиями по борьбе за непотопляемость после аварии, направленными на борьбу с поступлением воды, восстановление остойчивости и спрямление поврежденного судна.
Конструктивные мероприятия. Эти мероприятия осуществляются на стадиях проектирования и постройки судна и сводятся к назначению таких запасов плавучести и остойчивости, чтобы при затоплении заданного числа отсеков изменение посадки и остойчивости аварийного судна не выходило из минимально допустимых пределов. Наиболее эффективным средством для использования запаса плавучести при повреждении корпуса, является деление судна на отсеки водонепроницаемыми переборками и палубами. Действительно, если судно не имеет внутреннего подразделения на отсеки, то при наличии подводной пробоины корпус заполнится водой и судно не сможет использовать запас плавучести. Деление судов на отсеки производится в соответствии с частью V “ Правил классификации и постройки морских судов” Морского Регистра Судоходства. Ватерлиния неповрежденного судна, применяемая при делении на отсеки, положение которой фиксируется в судовой документации, называется грузовой ватерлинией деления на отсеки . Ватерлиния поврежденного судна после затопления одного или нескольких отеков называется аварийной ватерлинией . Судно утрачивает запас плавучести, если аварийная ватерлиния совпадает с предельной линией погружения – линией пересечения наружной поверхности настила палубы переборок с наружной поверхностью бортовой обшивки у борта. Наибольшая длина части судна, расположенной ниже предельной линии погружения представляет собой длиной деления судна на отсеки . Под палубой переборок понимают самую верхнюю палубу, до которой доводятся поперечные водонепроницаемые переборки по всей ширине судна.
Количество воды влившейся в поврежденный отсек судна определяется с помощью коэффициента проницаемости помещения μ – отношение объема, который может быть заполнен водой при затоплении отсека, к полному теоретическому объему помещения. Регламентируются следующие коэффициенты проницаемости:
Для помещений, занятых механизмами – 0,85;
Для помещений занятых грузами или запасами – 0,6;
Для жилых помещений и помещений, занятых грузами, имеющими высокую проницаемость (порожние контейнеры и др.) – 0,95;
Для пустых и балластных цистерн – 0,98.
Важной характеристикой непотопляемости судна является предельная длина затопления , под которой понимают наибольшую длину условного отсека после затопления которого, при коэффициенте проницаемости равном 0,80, при осадке соответствующей грузовой ватерлинии деления судна на отсеки и при отсутствии исходного дифферента, аварийная ватерлиния будет касаться предельной линии погружения.
Важным конструктивным мероприятием по обеспечению непотопляемости является создание прочных и водонепроницаемых закрытий (дверей, люков, горловин), установленных по контуру водонепроницаемого отсека, которые должны хорошо работать при крене, дифференте и морском волнении. Для всех дверей скользящего и навесного типа в водонепроницаемых переборках должны быть предусмотрены индикаторы, находящиеся на ходовом мостике и показывающие их положение. Водонепроницаемость и прочность судна должна быть обеспечена не только в подводной части, но и в надводной части корпуса, так как последняя определяет запас плавучести, расходуемый при повреждении.
Для активной борьбы экипажа за непотопляемость на судне также предусматривается:
Создание судовых систем (креновой, дифферентной, водоотливной, осушительной, перекачки жидких грузов, затопления, спускной и перепускной, балластировки);
Снабжение аварийным имуществом и материалами.
Такие закрытия, системы и механизмы должны иметь соответствующую маркировку, обеспечивающую их правильное использование с максимальной эффективностью. Места сосредоточения аварийных средств называются аварийными постами . Это могут быть специальные помещения или кладовые, ящики и щиты на палубе. К таким постам могут быть выведены устройства дистанционного пуска судовых систем.
Организационно-технические мероприятия. Организационно-технические мероприятия по обеспечению непотопляемости проводятся экипажем судна в процессе эксплуатации с целью предупреждения поступления воды в отсеки, а также сохранения посадки и остойчивости судна, предотвращающих его затопление или опрокидывание. К числу таких мероприятий относятся:
Правильная организация и систематическая подготовка экипажа к борьбе за непотопляемость;
Поддержание всех технических средств борьбы за непотопляемость, аварийного снабжения в состоянии, гарантирующем возможность немедленного их использования;
Систематическое наблюдение за состоянием всех корпусных конструкций в целях проверки их износа (коррозии), замена отдельных элементов конструкций при текущем или среднем ремонте в случае превышения установленных норм износа;
Планомерная окраска корпусных конструкций;
Устранение перекосов и провисание водонепроницаемых дверей, люков и иллюминаторов, систематическое их расхаживание и поддержание всех задраивающих устройств в исправном состоянии;
Контроль забортных отверстий, особенно при доковании судна;
Строгое соблюдение инструкции по приему и расходованию жидких топлива;
Раскрепление грузов по-походному и предотвращение их перемещения при качки (особенно поперек судна);
Компенсация потерь остойчивости, вызванных обледенением судна, путем приема жидкого балласта и проведением мероприятий по удалению льда (скалывание, смывание горячей водой);
Борьба за непотопляемость. Под борьбой за непотопляемость понимается совокупность действий экипажа, направленных на поддержание и возможное восстановление запасов плавучести и остойчивости судна, а также на приведение его в положение, обеспечивающее ход и управляемость.
Борьба за непотопляемость осуществляется немедленно после получения судном повреждения и складывается из борьбы с поступающей водой, оценки его состояния и мероприятий по восстановлению остойчивости и спрямлению судна.
Борьба с поступающей водой
состоит в обнаружении поступления воды внутрь судна, осуществлении возможных мероприятий по предотвращению или ограничению поступления и дальнейшего распространения забортной воды по судну, а также по ее удалению. При этом принимаются меры по восстановлению непроницаемости бортов, переборок, платформ, обеспечению герметичности аварийных отсеков. Малые пробоины, разошедшиеся швы, трещины заделывают деревянными клиньями и пробками (чопами) (рисунок 3.11). На пробоины большего размера ставят жесткий металлический пластырь или мат, придавленный щитком
Рисунок 3.11 - Деревянные клинья и пробки: Рисунок 3.12 - Прижимные болты:
а,б,в – клинья; г, д – пробки а – с откидной скобой; б, в – крючковые.
Для их крепления в комплект аварийного имущества входят специальные болты и струбцины, распорные брусья и клинья (рисунок 3.12 3.15). Заделка пробоины описанными способами является временной мерой. После откачки воды окончательное восстановление герметичности осуществляется путем бетонирования пробоины - постановки цементного ящика. Успешность заделки пробоины малого размера зависит от места их расположения (надводные или подводные), от доступности пробоины изнутри судна, от ее формы и расположения краев разорванного металла (внутрь корпуса или наружу).
Рисунок 3.13 - Металлические пластыри:
а – клапанный; б – с прижимным болтом; 1 – коробчатый корпус; 2 – ребра жесткости; 3 – гнездо для раздвижного упора; 4 – патрубки с заглушками для стержней крючковых болтов; 5 – клапан; 6 – рымы для крепления подкильных концов; 7,8 – прижимной болт с откидной скобой; 9 – гайка с ручками; 10 – прижимной диск.
Рисунок 3.14 - Металлический раздвижной упор:
1,8 – подпятники; 2,3 – гайки с рукоятками; 4 – штырь; 5 – наружная трубка; 6 – внутренняя трубка; 7 – шарнир
В смежные с аварийным отсеком помещения, вода может поступать в результате ее фильтрации через различные неплотности (нарушения герметичности переборочных сальников трубопроводов, кабелей и т.п.). В таких случаях герметичность восстанавливают конопаткой, клиньями или пробками, а сами переборки подкрепляют аварийными брусьями, чтобы предотвратить их выпучивание или разрушение.
Рисунок 3.15 - Аварийная струбцина: а – с захватами за шпангоуты швеллерного типа; б – захват для шпангоутов бульбового типа; 1 – струбцина; 2 – прижимной винт; 3 – рукоятки прижимного винта; 4 – гайка-ползун; 5 – стопорные винты; 6 – болты, скрепляющие две
планки швеллера; 7- захват
Рисунок 3.16 – Мягкие пластыри
а – учебный; 1- парусина; 2 – прошивка; 3 – ликтрос; 4 – угловые коуши; 5 – кренгельс для контрольного конца; б – шпигованный: 1 – парусиновая покрышка из двух слоев; 2 – мат шпигованный; 3 – прошивка; 4 – коуш угловой; в – облегченный: 1 – коуш угловой; 2 – ликтрос; 3 – карман для рейки; 4 – рейка распорная из трубы; 5,7 - слои парусины; 6 – войлочная прокладка; г – кальчужный: 1,2 – двойной слой парусиновой подушки; 3 – ликтрос пластыря; 4 – кольцо сетки; 5 – шайба парусиновая; 6 – ликтрос сетки
Мягкие пластыри (рисунок 3.16) являются основным средством для временной заделки пробоин, так как могут плотно прилегать по обводам корпуса судна в любом месте.
Литература: : с.36-47; : с.37-53, 112-119: : с.42-52; : с. 288-290.
Вопросы для самоконтроля:
1. Назовите главные размерения судна?
2. Дать определение мореходных характеристик судна?
3. Запас плавучести судна?
4. Дайте определение всех объемных эксплуатационных характеристик судна?
5. Нарисуйте грузовую марку и расшифруйте буквенные обозначения у гребенки?
6. Что называется непотопляемостью судна?
7. Какие организационно-технические мероприятия обеспечивают непотопляемость?
8. Что называется остойчивостью судна?
9. Дайте определение метацентрической высоты?
Рулевое устройство
Конструкции рулей
Современный судовой руль представляет собой вертикальное крыло с внутренними подкрепляющими ребрами, вращающееся вокруг вертикальной оси, площадь которого у морских судов составляет 1/10 - 1/60, площади погруженной части ДП (произведения длины судна на его осадку: LT).
На форму руля значительное влияние оказывает форма кормовой оконечности судна и расположение гребного винта.
По форме профиля пера рули делятся на плоские и профильные обтекаемые. Профильный руль состоит из двух выпуклых наружных оболочек, имеющих с внутренней стороны ребра и вертикальные диафрагмы, сваренных друг с другом и образующих каркас для повышения жесткости, который с обеих сторон покрыт приваренными к нему стальными листами.
Профильные рули имеют перед пластинчатыми ряд преимуществ:
Более высокое значение нормальной силы давления на руль;
Меньший момент, необходимый для поворота руля.
Кроме того, обтекаемый руль позволяет улучшить пропульсивные качества судна. Поэтому он нашел наибольшее применение.
Внутреннюю полость пера руля заполняют пористым материалом, предотвращающим попадание воды внутрь. Перо руля крепится к рудерпису вместе с ребрами (рисунок 4.1). Рудерпис отливают (или отковывают) заодно с петлями для навешивания руля на рудерпост (отливку иногда заменяют сварной конструкцией), являющийся неотъемлемой частью ахтерштевня.
Величина площади пера руля зависит от типа судна и его назначения. Для ориентировочной оценки необходимой площади руля обычно используют отношение S/LT, которое для морских транспортных судов с одним рулем составляет 1,8-2,7, для танкеров-1,8-2,2;
для буксиров - 3-6; для судов прибрежного плавания - 2,3-3,3.
По способу соединения с корпусом и количеству опор пера пассивные рули разделяют на:
Простые (многоопорные) (рисунок 4.2, а, 6);
Полуподвесные (одноопорные - подвешенные на баллере и опертые на корпус в одной точке) (рисунок 4.2, в);
Подвесные (безопорные, подвешенные на баллере) (рисунок 4.2, г).
По положению оси баллера относительно пера различают:
Рули небалансирные (обычные), у которых ось баллера проходит вблизи передней кромки пера;
Балансирные, ось баллера у которых расположена на некотором расстоянии от передней кромки руля. Полуподвесные балансирные рули называют также полубаллансирными.
Небалансирные рули устанавливают на одновинтовых судах, полубалансирные и балансирные - на всех судах. Применение подвесных (балансирных) рулей позволяет снизить мощность рулевой машины за счет уменьшения крутящего момента, необходимого для перекладки руля.
Рисунок 4.1 - Рулевое устройство с полуподвесным балансирным обтекаемым рулем: 1 - перо руля; 2 - рудерпис; 3 - нижний опорный подшипник баллера; 4 - гельмпортовая труба; 5 - верхний опорно-упорный подшипник баллера; 6 - рулевая машина; 7 - запасный валиковый рулевой привод; 8 - баллер; 9 - нижний штырь пера руля; 10 - рудерпост
Баллер руля - это массивный вал, при помощи которого поворачивается перо руля. Нижний конец баллера обычно имеет криволинейную форму и заканчивается лапой - фланцем, служащим для соединения баллера с пером руля болтами, что облегчает съем руля при ремонте. Иногда вместо фланцевого (применяют или конусное соединение. Крепление пера руля к баллеру и корпусу на многих типах судов имеет много общего и отличается незначительно.
Баллер руля входит в кормовой подзор корпуса через гельмпортовую трубу, обеспечивающую непроницаемость корпуса, и имеет не менее двух опор (подшипников) по высоте. Нижняя опора располагается над гельмпортовой трубой и, как правило, имеет сальниковое уплотнение, препятствующее попаданию воды в корпус судна; верхняя опора размещается непосредственно у места закрепления сектора или румпеля. Обычно верхняя опора (опорно-упорный подшипник) воспринимает массу баллера и пера руля, для чего на баллере делают кольцевой выступ.
Кроме рулей, на судах применяются подруливающие устройства. Посредством движителя, устанавливаемого в поперечном канале корпуса судна, они создают тяговое усилие в направлении, перпендикулярном его ДП, обеспечивают управляемость при отсутствии движения судна или при движении его на предельно малых скоростях, когда обычные рулевые устройства неэффективны. В качестве движителей используются винты фиксированного или регулируемого шага, крыльчатые движители или насосы. Подруливающие устройства расположены в носовой или кормовой оконечностях, а на некоторых судах устанавливают по два таких устройства и в носовой и в кормовой оконечностях. В этом случае возможен не только разворот судна на месте, но и движение его лагом без использования главных движителей. Для улучшения управляемости служат также поворотные насадки, закрепляемые на баллере, и особые балансирные рули.
Пост управления
В состав схемы управления рулевым устройством входят:
Пост управления со следящей электрической системой;
Электрическая передача от поста управления к электромотору.
Для дистанционного управления электрогидравлическими рулевыми машинами на судах широко применяется система управления «Аист». Совместно с гирокомпасом и рулевой машиной она обеспечивает четыре вида управления: «Автомат», «Следящий», «Простой», «Ручной».
Виды управления «Автомат», «Следящий» являются основными. При неисправности этих видов управления рулевой машиной переводят на «Простой». В случае отказа в работе дистанционной системы электрической передачи переходят на вид «Ручной».
Составными частями системы «Аист» являются пульт управления (ПУ) – авторулевой «Аист», исполнительный механизм (ИМ-1) и рулевой датчик (РД).
Основной пост управления находится в рулевой рубке у путевого компаса и репитера гирокомпаса. Штурвал или пульт управления рулем монтируют обычно на одной колонке с авторулевым агрегатом. Основным элементом электрической передачи является система контроллеров, помещенных в штурвальной колонке и связанных электропроводкой с электродвигателем основного привода в румпельном отделении.
Рулевые машины
Рулевые машины. В настоящее время широко применяются рулевые машины двух типов - электрические и гидравлические. Управляют работой рулевых машин дистанционно из рулевой рубки, используя тросовую, валиковую, электрическую или гидравлическую передачу. На современных судах наиболее распространены две последние.
Рулевые приводы
На судах морского флота эксплуатируются разнообразные рулевые приводы, среди которых преимущественное распространение получили рулевые машины с электрическими и гидравлическими приводами отечественного и зарубежного производства. Они обеспечивают передачу усилий рулевого двигателя к баллеру.
Среди них широко известны два основных типа приводов.
Механический секторно-румпельный привод от электромотора (рисунок 4.3) применяется на судах малого и среднего водоизмещения.
В этом приводе румпель жестко скреплен с баллером руля. Сектор, свободно насаженный на баллер, связан с румпелем при помощи пружинного амортизатора, а с рулевым двигателем - зубчатой передачей.
Перекладка руля осуществляется электромотором через сектор и румпель, а динамические нагрузки от ударов волн гасятся амортизаторами.
Рисунок 4.3 - Рулевое устройство с механическим секторно-румпельным приводом
от электромотора:
1 - ручной (аварийный) штурвальный привод; 2 - румпель; 3 - редуктор; 4 - рулевой сектор; 5- электродвигатель; 6 - пружина, 7- баллер руля; 8- профильный фигурный руль; 9 - сегмент червячного колеса и тормоза; 10 – червяк.
Схема управления секторно-рулевой машиной с электрической передачей приведена на
рисунке 4.4
Рисунок 4.5 - Схема управления рулевым устройством с гидравлическим приводом
двухплунжерной рулевой машины:
1 - датчик положения руля; 2 - кабельная сеть; 3 - приводной электромотор маслонасоса; 4 - масляный насос; 5 - рулевая колонка; 6 - репитер положения руля; 7- приемник телемотора; 8- гидроцилинды рулевой машины; 9- баллер руля; 10 - маслопровод; 11 - регулировочная тяга обратной связи следящей системы; 12 - датчик телемотора; 13 – маслопровод.
Силовой плунжерный привод от гидроцилиндров применяют на современных судах (рисунок 4.5). В его состав входят два гидроцилиндра, маслонасос, телемотор и гидросистема.
Работа устройства осуществляется следующим образом. При вращении штурвала, размещенного в рулевой рубке, телединамический датчик поста управления формирует командный сигнал в виде давления масла, которое гидросистемой нагнетается в цилиндр телемотора. Под действием этого сигнала телемотор приводит в действие
Чтобы давление масла в гидроцилиндрах не повышалось при ударах о перо руля сильной волны или большой льдины, гидросистема снабжена предохранительными клапанами и амортизационными пружинами.
В случае выхода из строя телемотора управление рулевой машиной можно осуществлять из румпельного отделения вручную.
При выходе из строя обоих масляных насосов переходят на ручную перекладку руля, для чего трубы гидросистемы напрямую соединяют с гидроцилиндрами, создавая в них давление вращением штурвала в посту управления.
Компоновка агрегатов двухплунжерной рулевой машины с аналогичным принципом действия показана на рисунке 4.6. Эти машины получили наибольшее распространение на современных судах, так как они обеспечивают наивысший коэффициент полезного действия всего рулевого устройства. В них давление рабочего масла в гидроцилиндрах непосредственно преобразуется сначала в поступательное движение плунжера, а затем через механическую передачу - во вращательное движение баллера руля, который жестко связан с румпелем. Необходимое давление масла и мощность рулевой машины формируются радиально-поршневыми насосами переменной производительности, а раздачу его по цилиндрам осуществляет телемотор, который получает команду от штурвала с рулевой рубки.