Контроль и регулирование движения судна

Реферат на тему:

Контроль и регулирование движения судна

Качкойназывают сложное колебательное движение, которое судно может совершать как твердое тело при плавании на спокойной или взволнованной поверхности воды. Возможность колебательного процесса определяется наличием сил или моментов, оказывающих сопротивление перемещениям и стремящихся возвратить судно в исходное положение.

Под действием возмущающей силы судно может иметь шесть возможных видов перемещений: три поступательных в направлении осей х, у, zи три колебательных вокруг этих осей. Однако только три из них могут иметь колебательный характер. Вертикальные колебания (сила действует в направлении оси z), приводящие к периодическим погружениям и всплытиям, называют вертикальной качкой. Колебания вокруг оси у, вызывающие наклонения с борта на борт, называют бортовой качкой (переменный крен). Колебания вокруг оси х, вызывающие продольные наклонения, называют килевой качкой (переменный дифферент).

Сила в направлении оси х вызывает ускорение или торможение движения, а сила в направлении оси у— боковое смещение (дрейф). Момент вокруг оси zвызывает лишь отклонение от курса.

Колебания судна обычно происходят одновременно, но их раздельное изучение облегчает задачу, а результирующее перемещение, определяющее положение судна относительно воды, может быть получено суммированием результатов.

Характеристиками колебательного процесса являются:

амплитуда качки — наибольшее отклонение судна от положения равновесия;

размах качки — полное перемещение от одного крайнего положения до другого (сумма двух амплитуд следующих друг за другом колебаний);

частота качки w — число полных колебаний судна за время 2nt

период качки t— интервал времени между двумя последовательными колебаниями отклонений судна в одном и том же направлении (два размаха), t= 2p/w;

коэффициент динамичности качки — отношение амплитуды качки к амплитуде волны, отражающее реакцию судна на воздействие регулярных волн.

Если возмущающая сила приложена однократно, то колебательный процесс под действием сопротивления быстро затухает. Амплитуда максимального отклонения зависит от значения приложенной силы и характеристик судна, а частота или период качки — только от характеристик судна. Поэтому такие колебания называют собственными, или свободными.

Наиболее важным параметром качки является частота, которая при совпадении с частотами действующих сил может привести к резонансным

колебаниям и значительному, иногда многократному, увеличению амплитуды. Обеспечение плавания без попадания в условия резонансных колебаний возлагается на судоводителя. При отсутствии расчетных данных с достаточной точностью период свободной бортовой качки может быть определен по формулe

t_q = K_k (B/h^1/2_m) (1)

где K_k— размерный коэффициент (принимают K_k = 0,83-:-0,86 с/м для пассажирских судов, 0,75-:-0,85 с/м для грузовых судов и 0,62-:-0,72 с/м для буксиров; большие значения коэффициента относятся к порожнему судну, меньшие — к груженому);

В — ширина судна, м;

h_m — малая метацентрическая высота, м.

Из формулы (1) видно, что чем меньше метацентрическая высота, тем больше период качки, а следовательно, плавнее качка. Поэтому в процессе проектирования и эксплуатации судна стремятся к тому, чтобы его метацентрическая высота имела минимальное значение, обеспечивающее безопасность мореплавания.

Периоды свободной килевой и вертикальной качки одинаковы и приближенно могут быть определены:

ty = t_верт – (2,7-:-3)Т

где Т — осадка судна, м.

Связь между периодом бортовой качки и метацентрической высотой позволяет заметить, что при увеличении остойчивости (h_mвозрастает) снижается плавность качки (t_q убывает), т. е. возрастает частота колебаний w.

На волнении повторяемость возмущающих сил (встреча с волной) оказывается регулярной, что может привести к резонансным колебаниям. Частота встречи с волной зависит от скорости судна и волны, угла их встречи. Если считать, что судно идет к направлению распространения волн под углом j, то относительная скорость встречи

c' = vcos j ± c_B, (2)

где v— скорость судна, м/с;

с_B — скорость распространения волны, м/с (знак плюс соответствует встречной волне, минус — попутной).

Частота встречи (частота возмущающей силы) соответствует отношению длины волны к относительной скорости встречи, т. е.

t_B= l_B/ c'

Длина волны l_Bопределяется расстоянием между двумя соседними вершинами или подошвами волн. Высота волны определяется по вертикали от нижней точки ее впадины (подошвы) до высшей точки вершины (гребня). Период волны t_Bопределяется временем, в течение которого две соседние волны проходят через одну неподвижную точку пространства. Приближенно скорость распространения волны

с_в=1,25 l^1/2_B.

Тогда кажущийся период волны

t_B = l_B / (vcos j ± 1,25 l^1/2_B). (3)

Судоводитель должен сопоставить период собственных колебаний судна (формулы (1) и (2)) с вынужденными колебаниями —(3). Для обеспечения безопасности движения различие между ними должно быть не менее 20 %. Как видно из выражения (3), частоту возмущающей силы можно изменить изменением скорости судна и угла встречи с волной.

На практике безопасную скорость судна и курсовой угол часто выбирают с помощью специальных диаграмм Ремеза, Власова и других.

Влияние качки учитывают главным образом при нормировании мореходных качеств. В нормировании остойчивости качка учитывается при определении допускаемых моментов, а для судов класса М-СП и при нормировании относительного ускорения при бортовой качке, которое соответствует удовлетворительной обитаемости. Сводится это к тому, чтобы ускорение, испытываемое человеком, не превышало значения, равного одной десятой части ускорения свободного падения (0,lg). Если это требование не удовлетворяется, то на судне следует выполнить мероприятия, снижающие амплитуду бортовой качки.

Рис. 1. Возникновение сил на скуловых килях при качке

Наиболее простым средством являются скуловые кили — пластины, установленные на скуловом поясе перпендикулярно обшивке (рис. 1). Протяженность их соответствует длине цилиндрической вставки, ширина — габаритам шпангоута. При действии возмущающего момента М_вскуловые кили создают момент сопротивления силам Р. Применяют также активные скуловые кили (бортовые рули, стабилизирующие качку).

Рис. 2. Цистерны для успокоения качки:

/ — свободное пространство цистерн; 2, 4 — соответственно воздушный и водяной соединительные каналы; 3 — система клапанов

Существуют и другие виды гасителей колебаний, к которым относятся пассивные успокоительные цистерны, представляющие собой бортовые цистерны, соединенные воздушным каналом сверху и водяным снизу (рис. 2). Каналы снабжены системой клапанов, обеспечивающих перетекание жидкости при крене. Сопротивление воздуха, силы инерции и трения тормозят перетекание жидкости в такой мере, что период перетекания оказывается равным периоду качки судна и отстает по фазе от колебаний судна на 90° и колебаний волны на 180°. Таким образом, жидкость перетекает в сторону поднимающегося борта и ее масса создает момент, успокаивающий качку судна. При режимах качки, близких к резонансу, цистерны уменьшают амплитуды качки примерно вдвое. Если жидкость перемещается насосами, то такие успокоительные цистерны считаются активными.

Наиболее сложным и дорогостоящим является применение гироскопических успокоителей. Тяжелый диск (гироскоп) успокоителя вращается с большой скоростью вокруг оси, соединенной с рамой. Ось качания рамы расположена горизонтально в поперечной плоскости судна и специальными цапфами соединена с его корпусом. При качке судна и вращении гироскопа возникает сложное движение рамы — прецессия, приводящая к появлению в цапфах реакций, создающих стабилизирующий момент.

Особенности плавания в штормовую погоду.

Конструкция современных морских судов обеспечивает большую прочность, надежную работу судовых механизмов и хорошие мореходные качества. Однако плавание и управление судном в шторм остаются сложной задачей. Обеспечение безаварийного плавания в этот период требует большого напряжения в работе всего экипажа, особенно судоводителей, четких знаний, умения и сознательной дисциплины.

Основные факторы, действующие на судно во время шторма — ветер и волнение. Ветер оказывает влияние на судно в зависимости от конструк-тивных особенностей. При развитых надстройках, избыточном надводном борте, небольшой осадке увеличиваются крен и дрейф судна. Ветер встречных направлений увеличивает сопротивление движению судна, ухудшает его управляемость. Если курс проходит вблизи берега, отмелей, рифов, то дрейф в их сторону во время плавания становится опасным.

Главную опасность для судна во время шторма представляют волнение, вызывающее качку, напряжение в корпусе и удары волн. Сильная бортовая качка создает большие динамические нагрузки на корпус и судовые механизмы. В результате этого могут появиться деформации и трещины в наружной обшивке корпуса и в палубах. Возникающие инерционные силы могут явиться причиной сдвига с фундаментов механизмов и устройств, смещения груза; удары волн и качка ухудшают управляемость, снижают скорость судна; рулевая машина работает с большой нагрузкой из-за частных перекладок руля.

Неправильная загрузка судна повлекшая смещение груза, или отсутствие опыта в управлении судна, в шторм приводят к аварийным ситуациям с тяжелыми последствиями, связанными с опрокидыванием на. Плавание с большой скоростью навстречу волне (особенно при неправильной загрузке) может вызывать напряжение корпуса, которое превысит допустимый предел, и судно может переломиться. На волне корма небольших судов и судов в балласте периодически поднимается, оголяя гребной винт, что приводит к перенапряжению в работе главного двигателя.

На судне в балласте качка значительно сильнее, особенно опасна для него встречная волна, которая, ударяясь в поднятое волной днище носовой части корпуса, вызывает сильную вибрацию.

В сильный шторм волны могут повредить или смыть палубные грузы, разрушить люковые закрытия, вентиляторы, судовые устройства и системы. Это создает опасность проникновения воды в трюмы, влечет за собой подмочку груза, а иногда и гибель судна.

Судоводитель должен всегда помнить, что ошибки в управлении судном в

шторм могут привести даже самое современное судно к аварийному состоянию или его гибели. Безаварийное плавание в шторм зависит от высоких профессиональных знаний и опыта экипажа, подготовленности судна, заблаговременного получения прогнозов погоды и умелого управления.

Составная часть повседневной организации службы независимо от предстоящего плавания, продолжительности рейса, прогнозируемой погоды является подготовкой судна к штормовым условиям плавания. Судно должно быть приведено в такое состояние, которое обеспечит безопасность плавания в любых погодных условиях. Подготовка судна к плаванию начинается при стоянке в порту. Особое внимание уделяется погрузке. При составлении грузового плана необходимо предусмотреть обеспечение остойчивости, местной и общей прочности корпуса, мореходных качеств на момент выхода судна из порта, на период рейса и приход в порт назначения с учетом расходования судовых запасов в рейсе и качественную доставку груза получателю. Во время погрузки необходимо контролировать остойчивость, при необходимости производить перерасчеты;

тщательно следить за укладкой, наливом, штивкой и сепарацией, креплением груза. Особый контроль необходимо осуществить за погрузкой и креплением тяжеловесных и палубных грузов. Доступ к палубным механизмам и пробкам воздушных трубок балласта, льял или льяльных колодцев должен быть свободным.

При подготовке судна к рейсу следует руководствоваться Рекомендациями по обеспечению безопасности плавания судов в осенне-зимний период и в штормовых условиях (РОБПС-84).

Штормование. Если плавание судна в нужном направлении или в направлении ближайшего порта-убежища невозможно из-за очень сложных штормовых условий, то выполняется штормование — особый вид плавания, при котором судно удерживается на месте или идет курсом и скоростью, наиболее благоприятными относительно направления ветра и ветровых волн. Практикой установлено, что при штормовании против волны наиболее безопасной является минимальная скорость, при которой судно еще слушается руля.

Способ штормования определяется судоводителями с учетом конструктивных особенностей судна, его загрузки, остойчивости и района плавания:

на носовых курсовых углах — наиболее распространенный вид, рекомендуется для судов, имеющих полные обводы в носовой части (корпус конструктивно укреплен и рассчитан на большие волновые нагрузки с дифферентом на корму). На курсах носом на волну судно легче управляется, более устойчиво на курсе. Остойчивость судна сохраняется. Размахи бортовой качки уменьшаются. Скорость минимальная;

на кормовых курсовых углах выполняется только в том случае, когда длина

волны значительно отличается от длины судна, имеющего нормальную или повышенную остойчивость; в этом случае возрастает рыскливость, снижается устойчивость на курсе;

в дрейфе — штормование с застопоренными главными двигателями. Опасно для судна при сильном шквальном ветре.

Судно с большой метоцентрической высотой — остойчиво, но будет иметь сильную и резкую бортовую качку, при которой возможны повреждения корпуса, сдвиг механизмов, нарушения креплений и смещение груза.

Судно с большой парусностью может быть положено на борт. Способ требует большого водного пространства, свободного от навигационных опасностей с подветренной стороны.

Штормование лагом к волне. В этом случае судно в наибольшей степени подвержено воздействию волны и ветру. Штормовать данным способом могут суда с повышенной остойчивостью. Качка у таких судов плавная, оно легко восходит на волну, не принимая много воды на палубу.

В штормовых условиях о повороте судна на новый курс экипаж предупреждается заблаговременно. При очень сильном шторме наиболее опасным является положение судна лагом к волне. Чтобы повернуть судно на новый курс, устанавливается закономерность изменения размеров ветровых волн и только после прохождения очередной наиболее развитой волны выполняется поворот.

Поворот при плавании судна против волны совершают как вправо, так и влево, позволив судну уваливаться под ветер и уменьшив ход до минимального. Поворот судна начинают перекладкой руля на борт (30—35°) и дают полный ход, когда корма окажется на обратном склоне крутой волны. Во время поворота, при подходе высоких волн с кормовых углов руль следует отводить к ДП заблаговременно. По окончании поворота изменением скорости хода вывести судно из зоны усиленной качки.

Поворот при плавании судна по волне начинают, когда на обратном склоне последней из серии крупных волн окажется носовая часть судна с таким расчетом, чтобы вторая половина поворота выполнялась в период относительно спокойного волнения. Если у судна перед поворотом период бортовой качки больше периода волн, то первую половину поворота выполняют на малом ходу, а вторую— как можно быстрее, не набирая большой инерции хода.

В другом случае, когда перед поворотом период бортовой качки меньше периода волн, тогда первую половину нужно выполнять на большом ходу, а вторую как можно быстрее, но не набирая большой инерции хода.

Прочность корпусаопределяет способность судна воспринимать действующие в процессе эксплуатации нагрузки, не разрушаясь. Для оценки прочности судна определяют внешние нагрузки, действующие на корпус, напряжения в различных наиболее нагруженных его элементах и сопоставляют их с нормативными допускаемыми значениями. Если полученные расчетом напряжения не превышают допустимое, то прочность корпуса считается обеспеченной. При этом очень важно, чтобы прочность корпуса была достаточной при минимальной массе. Корпусы речных судов рассчитывают в соответствии с Правилами Регистра Судоходства Украины.

На корпус движущегося судна могут действовать постоянные и случайные нагрузки. Постоянные нагрузки, действующие в течение всего периода эксплуатации, — это вес корпуса, надстроек, судовых механизмов и принятого груза, силы поддержания и силы сопротивления воды движению судна. Случайные нагрузки воздействуют на корпус в течение какого-либо промежутка времени и возникают при ударах волн, посадке судна на мель, столкновении судов. Для упрощения расчетов действующие нагрузки условно делят на две категории: вызывающие общий изгиб корпуса или местный изгиб отдельных его элементов.

При плавании на тихой воде изгиб корпуса вызывается неравномерностью распределения по длине судна сил тяжести и сил поддержания. Для построения эпюры весовой нагрузки q_B(рис. 3, а) принимают, что силы тяжести, действующие в пределах каждой теоретической шпации, распределены равномерно. Значение этих сил рассчитывают для каждой шпации отдельно с учетом всех составляющих. Силы поддержания распределяются по длине судна пропорционально погруженным площадям шпангоутов, что и отражает эпюра этих сил

Полученную ступенчатую нагрузку, равную разности сил тяжести и сил поддержания, называют эпюрой нагрузки судна q(рис. 3, б).

По нагрузке судна вычисляют срезывающие силы F_ТВи изгибающие моменты М_ТВ, действующие на корпус при плавании на тихой воде. Их определяют соответственно как сумму сил или сумму моментов, взятых слева или справа от рассматриваемого сечения. Значение и знак изгибающего момента в каждом сечении корпуса зависят от характера распределения нагрузок по длине судна. Очевидно, что чем больше неравномерность нагрузки, тем больше и изгибающий момент.

Рис. 3. Эпюры нагрузок, вызывающих общий изгиб корпуса

При выходе судна на волну силы поддержания перераспределяются по длине корпуса благодаря_изменению формы погруженного объема. При этом судно

может попасть миделем на вершину (рис. 4, а) или на впадину волны (рис. 4, б). В первом случае в палубе возникают дополнительные напряжения растяжения (+Ds), а в днище — сжатия (- Ds), что соответствует перегибу корпуса; во втором, наоборот, палуба подвергается дополнительному сжатию, а днище — растяжению, что соответствует прогибу корпуса.