Мореходные качества определяют надежность и конструктивное совершенство судна. К мореходным качествам относятся: плавучесть, остойчивость, непотопляемость, управляемость, ходкость, мореходность судна.
Живучесть судна — способность судна при получении повреждений сохранять свои эксплуатационные и мореходные качества. Обеспечивается непотопляемостью, пожаробезопасностью, надежностью технических средств, подготовленностью экипажа.
Плавучестью называется способность судна плавать в требуемом положении относительно поверхности воды при заданной нагрузке.
Мореходностью называется способность судна при плавании на морском волнении сохранять основные мореходные качества и возможность эффективного использования всех систем и устройств в соответствии с назначением.
Ходкостью судна называется его способность перемещаться по воде с заданной скоростью под действием приложенной к нему движущей силы.
Маневренные характеристики судна
Управляемость судна характеризуется двумя качествами: поворотливостью, и устойчивостью на курсе.
Обь М,проверка на устойчивость.
Поворотливость — это способность судна изменять направление движения и двигаться по заранее выбранной судоводителем криволинейной траектории.
Устойчивостью на курсе называется способность судна сохранять прямолинейное направление движения в соответствии с заданным курсом.
Управляемость судна обеспечивается специальными средствами управления, назначение которых — создавать силу (перпендикулярную ДП), вызывающую боковое смещение судна (дрейф) и поворот его вокруг продольной (крен) и поперечной (дифферент) осей.
Средства управления подразделяются на основные и вспомогательные. Основные средства — рули, поворотные насадки, азиподы — предназначены для обеспечения управляемости судна во время его движения. Вспомогательные средства обеспечивают управляемость судна на малых ходах и при движении по инерции с неработающим главным двигателем. К этой группе относятся подруливающие устройства различных типов, активные рули.
В результате воздействия обтекающих масс воды и ветра на корпус, винт и руль, даже при спокойном море и слабом ветре, судно не остается постоянно на заданном курсе, а отклоняется от него. Отклонение судна от курса при прямом положении руля называется рыскливостью. Амплитуда рыскания судна в тихую погоду небольшая. Поэтому для удержания его на курсе требуется незначительная перекладка руля вправо или влево. При сильном ветре и волнении устойчивость судна на курсе значительно ухудшается.
На рыскливость судна большое влияние оказывает расположение надстройки. На тех судах, где надстройки на корме, рыскливость увеличивается, так как почти всегда корма идет «под ветер», а нос — «на ветер». Если надстройка в носу, то судно уклоняется «от ветра».
- элементы циркуляции;
- путь и время торможения судна (инерционные свойства).
Циркуляция — это траектория, описываемая центром тяжести судна, при движении с отклоненным на постоянный угол рулем (рис. 1.21). Циркуляцию принято разбивать на три периода: маневренный, эволюционный и установившийся.
Улучшение устойчивости лодки — или Из шлюпки в лодку
Рис. 1.21. Траектория судна на циркуляции
Маневренный период — период, в течение которого происходит перекладка руля на определенный угол. С момента начала перекладки руля судно начинает дрейфовать и крениться в сторону, противоположную перекладке руля, и одновре-менно начинает разворачиваться в сторону перекладки руля. В этот период траектория движения центра тяжести судна из прямолинейной превращается в криволинейную, происходит падение скорости движения судна.
Эволюционный период – период, начинающийся с момента окончания перекладки руля и продолжающийся до момента окончания изменения угла дрейфа, линейной и угловой скоростей. Этот период характеризуется дальнейшим снижением скорости (до 30 – 50 %), изменением крена на внешний борт до 100 и резким выносом кормы на внешнюю сторону.
Период установившийся циркуляции – период, начинающийся по окончании эволюционного, характеризуется равновесием действующих на судно сил: упора винта, гидродинамических сил на руле и корпусе, центробежной силы. Траектория движения центра тяжести (ЦТ) судна превращается в траекторию правильной окружности или близкой к ней.
- Dо — диаметр установившейся циркуляции — расстояние между диаметральными плоскостями судна на двух последовательных курсах, отличающихся на 180° при установившемся движении;
- Dц — тактический диаметр циркуляции — расстояние между положениями диаметральной плоскости (ДП) судна до начала поворота и в момент изменения курса на 180°;
- l1 выдвиг — расстояние между положениями ЦТ судна перед выходом на циркуляцию до точки циркуляции, в которой курс судна изменяется на 90°;
- 12 прямое смещение — расстояние от первоначального положения ЦТ судна до положения его после поворота на 90°, измеренное по нормали к первоначальному направлению движения судна;
- l3 обратное смещение — наибольшее смещение ЦТ судна в результате дрейфа в направлении, обратном стороне перекладки руля (обратное смещение обычно не превышает ширины судна В, а на некоторых судах отсутствует совсем);
- Тц период циркуляции — время поворота судна на 360°.
- движение судна по инерции — свободное торможение;
- активное торможение;
- подтормаживание;
- разгон судна до заданной скорости.
Свободное торможение характеризует процесс снижения скорости судна под влиянием сопротивления воды от момента остановки двигателя до полной остановки судна относительно воды. Обычно время свободного торможения считается до потери управляемости судна.
Активное торможение — это торможение при помощи реверсирования двигателя. Первоначально телеграф устанавливают в положение «Стоп», и только после того, как обороты двигателя упадут на 40-50 %, ручку телеграфа переводят в положение «Полный задний ход». Окончание маневра — остановка судна относительно воды.
Разгон судна — это процесс постепенного увеличения скорости движения от нулевого значения до скорости, соответствующей заданному положению телеграфа.
Грузовая марка и марки углубления
Во избежание недопустимой перегрузки судна с конца XIX — начала XX вв. на грузовых судах наносят знак грузовой марки, определяющий в зависимости от размеров и конструкции судна, района его плавания и времени года минимальную допустимую величину надводного борта.
Грузовую марку наносят в соответствии с требованиями Международной конвенции о грузовой марке 1966 года. Грузовая марка состоит из трех элементов: палубной линии, диска Плимсоля и гребенки осадок.
Знак грузовой марки наносят на правом и левом бортах в средней части судна. Горизонтальная полоса, нанесенная посредине изображенного на грузовой марке диска (диск Плимсоля), соответствует летней грузовой ватерлинии, т.е. ватерлинии при плавании судна летом в океане при плотности воды 1,025 т/м 3 . Обозначение организации, назначившей грузовую марку, наносится над горизонтальной линией, проходящей через центр диска.
Положения о грузовой марке применяются к каждому судну, которому назначен минимальный надводный борт.
Надводный борт – расстояние, измеренное по вертикали у борта на середине длины судна от верхней кромки палубной линии до верхней кромки соответствующей грузовой марки.
Палуба надводного борта – это самая верхняя непрерывная, не защищенная от воздействия моря и погоды палуба, которая имеет постоянные средства закрытия всех отверстий на ее открытых частях и ниже которой все отверстия в бортах судна снабжены постоянными средствами для водонепроницаемого закрытия. Назначенный судну надводный борт фиксируется путем нанесения на каждом борту судна отметки палубной линии, знака грузовой марки и марок углубления, отмечающих наибольшие осадки, до которых судно может быть максимально нагружено при различных условиях плавания (рис. 1.22).
Рис. 1.22. Грузовая марка
Грузовая марка, соответствующая сезону, не должна быть погружена в воду на протяжении всего периода от момента выхода из порта до прихода в следующий порт. Судам, на борта которых нанесены грузовые марки, выдается Международное свидетельство о грузовой марке на срок не более чем на 5 лет.
- летняя грузовая марка — Л (Summer);
- зимняя грузовая марка — З (Winter);
- зимняя грузовая марка для Северной Атлантики — ЗСА (Winter North Atlantic);
- тропическая грузовая марка — T (Tropic);
- грузовая марка для пресной воды — П (Fresh);
- тропическая марка для пресной воды — ТП (Tropic Fresh).
Суда, приспособленные для перевозки леса, снабжают дополнительно специальной лесной грузовой маркой, располагаемой в корму от диска. Эта марка допускает некоторое увеличение осадки в том случае, когда судно перевозит лесной груз на открытой палубе.
Марки углубления предназначены для определения осадки судна. Деления наносятся на наружной обшивке обоих бортов судна в районе форштевня, ахтер-штевня и на мидель-шпангоуте (рис. 1.23).
Рис. 1.23. Марки углубления:
на левом рисунке осадка равна 12 м 10 см; на правом – 5 м 75 см
Марки углубления отмечаются арабскими цифрами высотой 10 см (расстояние между основаниями цифр 20 см) и определяют расстояние от действующей ватерлинии до нижней кромки горизонтального киля.
До 1969 года марки углубления на левом борту наносили римскими цифрами, высота которых равнялась 6 дюймам. Расстояние между основаниями цифр равно 1 футу (1 фут = 12 дюймам = 30, 48 см; 1 дюйм = 2,54 см).
Остойчивость
Остойчивость — способность судна, выведенного внешним воздействием из положения равновесия, возвращаться в него после прекращения этого воздействия. Основной характеристикой остойчивости является восстанавливающий момент, который должен быть достаточным для того, чтобы судно противостояло статическому или динамическому (внезапному) действию кренящих и дифферентующих моментов, возникающих от смещения грузов, под воздействием ветра, волнения и по другим причинам. Кренящий (дифферентующий) и восстанавливающий моменты действуют в противоположных направлениях и при равновесном положении судна равны.
Различают поперечную остойчивость, соответствующую наклонению судна в поперечной плоскости (крен судна), и продольную остойчивость (дифферент судна).
Метацентр — центр кривизны траектории, по которой перемещается центр величины С в процессе наклонения судна (рис. 1.24). Если наклонение происходит в поперечной плоскости (крен), метацентр называют поперечным, или малым, при наклонении в продольной плоскости (дифферент) — продольным, или большим. Соответственно различают поперечный (малый) r и продольный (большой) R мета-центрические радиусы, представляющие радиусы кривизны траектории С при крене и дифференте.
Рис. 1.24. Элементы начальной поперечной остойчивости:
OG – возвышение центра тяжести над килем; OM – возвышение метацентра над килем; GM — метацентрическая высота; CM – метацентрический радиус; M – метацентр; G – центр тяжести; С – центр величины
Метацентрическая высота (м.в.) — расстояние между метацентром и центром тяжести судна. М.в. является мерой начальной остойчивости судна, определяющей восстанавливающие моменты при малых углах крена или дифферента. При возрастании м.в. остойчивость судна повышается. Для положительной остойчивости судна необходимо, чтобы метацентр находился выше ЦТ судна. Если м.в. отрицательна, т.е. метацентр располагается ниже ЦТ судна, силы, действующие на судно, образуют не восстанавливающий, а кренящий момент, и судно плавает с начальным креном (отрицательная остойчивость), что не допускается.
Непотопляемость
Непотопляемостью называется способность судна сохранять плавучесть и остойчивость при затоплении одного или нескольких отсеков, образованных внутри корпуса судна водонепроницаемыми переборками, палубами и платформами.
Поступление забортной воды в корпус судна, в результате его повреждения или намеренного затопления отсеков, приводит к изменению характеристик плавучести и остойчивости, управляемости и ходкости. Перераспределение сил плавучести по длине судна вызывает дополнительные напряжения в корпусе судна, который должен сохранить при этом достаточную прочность.
Конструктивно непотопляемость обеспечивают, разделяя корпус судна на ряд отсеков с помощью водонепроницаемых переборок, палуб и платформ. Палубу, до которой доходят главные водонепроницаемые переборки, принято называть палубой переборок. Конструктивно непотопляемость судна обеспечивается также устройством на судне осушительных систем, мерительных труб, водонепроницаемых закрытий и т.п.
Эксплуатационные качества судна
Эксплуатационные качества определяют транспортные возможности и экономические показатели судна. Они определяются его грузоподъемностью, грузо и пассажировместимостью, скоростью, маневренностью, дальностью и автономностью плавания.
Грузоподъемность — вес различного рода грузов, которые может перевезти судно при условии сохранения проектной посадки. Существует чистая грузоподъемность и дедвейт.
Чистая грузоподъемность — это полная масса перевозимого судном полезного груза, т.е. масса груза в трюмах и масса пассажиров с багажом и предназначенных для них пресной водой и провизией, масса выловленной рыбы и т. п., при загрузке судна по расчетную осадку.
Дедвейт (полная грузоподъемность) — представляет собой общую массу перевозимого судном полезного груза, составляющего чистую грузоподъемность, а также массу запасов топлива, котельной воды, масла, экипажа с багажом, запасов провизии и пресной воды для экипажа при загрузке судна по расчетную осадку. Если судно с грузом принимает жидкий балласт, то масса этого балласта включается в дедвейт судна.
Водоизмещение порожнем — сумма всех постоянных весов, из которых слагается вес конструкции построенного судна (корпус, механизмы, судовые устройства, системы и оборудование, инвентарное снабжение, вес запасов топлива, масла в системе для запуска двигателя и твердый балласт).
Полное водоизмещение — водоизмещение порожнем плюс дедвейт.
Грузовместимостью судна называется суммарный объём всех грузовых помещений. Измеряется грузовместимость в кубических метрах. Различают грузовместимость по штучному и сыпучему грузу.
Валовая вместимость, измеряемая в регистровых тоннах (рег. т.), представляет собой полный объем помещений корпуса и закрытых надстроек, за исключением объемов отсеков двойного дна, цистерн водяного балласта, а также объемов некоторых служебных помещений и постов, расположенных на верхней палубе и выше (рулевой и штурманской рубки, камбуза, санузлов экипажа, световых люков, шахт, помещений вспомогательных механизмов и пр.). 1 рег. т = 2,83 куб.м.
Чистую вместимость получают в результате вычета из валовой вместимости объемов помещений, непригодных для перевозки коммерческого груза, пассажиров и запасов, в том числе жилых, общественных и санитарных помещений экипажа, помещений, занятых палубными механизмами и навигационными приборами, машинного отделения и т.п. Иными словами, в чистую вместимость входят только помещения, которые приносят судовладельцу непосредственный доход — грузовые помещения и помещения, занимаемые пассажирами или предназначаемые для их обслуживания.
Дальность плавания судна — наибольшее расстояние, которое судно может пройти с заданной скоростью без пополнения запасов топлива, котельно-питательной воды и смазочного масла. Автономность плавания — длительность пребывания судна в рейсе без пополнения запасов топлива, провизии и пресной воды, необходимых для жизни и нормальной деятельности находящихся на судне людей (экипажа и пассажиров).
Источник: tepka.ru
Расчёт остойчивости судна
Способность судна противостоять действию внешних сил. Стремящихся наклонить его в поперечном и продольном направлениях, и возвращаться в прямое положение после прекращения их действия называется остойчивостью. Наиболее важной для любого судна является его поперечная остойчивость, поскольку точка приложения сил. противодействующих крену, располагается в пределах ширины корпуса, которая в 2.5—5 раз меньше его длины.
Начальная остойчивость (на малых углах крена). Когда судно плавает без крена, то силы тяжести Б и плавучести у V. приложенные соответственно в ЦТ и ЦВ. действуют по одной вертикали.
Если при крене на угол 9 экипаж либо другие составляющие весовой нагрузки не перемещаются, то при любом наклоне ЦТ, сохраняет свое первоначальное положение в ДП, вращаясь вместе с судном (рис 4.1.1). В то же время вследствие изменившейся формы подводной части корпуса ЦВ перемещается из точки С0 в сторону накрененного борта до положения С1. Благодаря этому возникает момент пары сил Б и у V с плечом l. равным горизонтальному расстоянию между ЦТ и новым ЦВ судна. Этот момент стремится возвратить судно в прямое положение и потому называется восстанавливающим моментом.
Рис. 4.1.1 Диаграмма остойчивости.
Угол крена, при котором плечо остойчивости достигает максимума Qm, должен быть не менее 30°, т.е.
Угол заката диаграммы статической остойчивости Qv должен быть не менее 60°
Напольная метацентрическая высота h при всех вариантах нагрузки, за исключением судна порожнем, должна быть положительной h > 0.
Конкретное минимальное значение h для различных типов судов и для соответствующих условий плавания установлено Правилами Регистра (РМРС) и указывается в дополнительных рекомендациях.
Критерий ускорения К*, т. е. отношение допустимой величины ускорения а к расчетной aрасч в долях от g, должен быть не менее единицы
Кроме основных критериев остойчивости, показанных выше, Кодексом безопасной практики перевозки твердых навалочных грузов, Конвенцией COJIAC-74 Правилами Регистра статической остойчивости и угла заливания при наихудших условиях плавания.
В теории остойчивости различают статическую остойчивость при медленных наклонениях, когда силами инерции и сопротивления воды можно пренебречь, и динамическую остойчивость при быстрых наклонениях, когда необходимо учитывать действие сил инерции и сопротивления воды.
Основная плоскость — плоскость, проходящая через верхнюю кромку плоского киля и параллельная грузовой ватерлинии. В ней располагаются оси X и К и от нее отсчитываются аппликаты Z.
Условная плоскость- плоскость, относительно которой построена диаграмма статических моментов. Применяется для увеличения кривых и, следовательно, для удобства пользования графикам. Полюс вращения судна Р при наклонении на различные углы крена выбирается проектной организацией в зависимости от способа расчета пантокарен — интерполяционных кривых плеч остойчивости формы.
Центр тяжести судна G — точка приложения равнодействующей сил веса.
Центр величины С — точка приложения равнодействующей сил поддержания или цептр тяжести подводного объема судна. При отсутствии крена в состоянии равновесия расположена на одной вертикали с центром тяжести судна.
Метацентр кривизны траектории перемещения С крене. Располагается на пересечении нормалей из двух любых точек траектории перемещения центра величины. На очень малых углах крепа находится в диаметральной плоскости судна. Бывает малым (поперечным) и большим (продольным).
Метацентрический радиус г, R (поперечный, продольный)-радиус кривизны траектории центра величины. Его величинаопределяется из выражения
где V-объемное водоизмещение;
Ix момент инерции площади действующей ватерлинии относительно оси X
Метацентрическая высота h, Н (поперечная, продольная)- расстояние от метацентра m до центра тяжести судна.
Основные величины, используемые в расчётах остойчивости.
DB — сила тяжести судна;
Fn — сила поддержания (плавучести);
Zc — возвышение ЦВ над килем;
a — возвышение ЦТ над ЦВ;
Zg — возвышение ЦТ над килем;
R — метацентрический радиус (расстояние между МЦ и ЦВ);
Zm — возвышение МЦ над килем;
h — поперечная метацентрическая высота;
l — плечо статической остойчивости;
Mkp — кренящий момент;
MB — восстанавливающий момент.
Метацентр (мц) – точка пересечения линии действия поддерживающей силы Fn с ДП судна.
Согласно порядку составления грузового после определение общего количество груза и распределения его по трюмам проводим проверку нашего варианта загрузки на предмет остойчивости, а именно поперечной остойчивости и определения его главного элемента – метацентрическая высота (h).
Для проверки поперечной остойчивости проведём следующий порядок расчётов.
Источник: poisk-ru.ru
Связь характеристик остойчивости и качки
Минимальный уровень остойчивости судов внутреннего и смешанного плавания регламентируется Российским Речным Регистром [8], который ограничивает наименьшее значение начальной метацентрической высоты. С другой стороны избыточная остойчивость также не желательна, поскольку она приводит к неблагоприятным параметрам бортовой качки судна.
Под качкой понимают колебательные движения судна как твердого тела при плавании его на спокойной воде или волнении. Колебательные движения возникают в том случае, если на выведенное из устойчивого равновесия тело действуют восстанавливающие силы и моменты, стремящиеся возвратить его в исходное положение равновесия. Поэтому, из шести возможных видов движения относительно координатных осей x, у и z колебания у судна могут быть только следующих трех видов: вертикальные вдоль оси z, называемые вертикальной качкой; угловые вокруг продольной оси х, называемые бортовой качкой; угловые вокруг поперечной оси у, называемые килевой или продольной качкой. Три остальные вида движения относительно координатных осей носят монотонно затухающий характер и не являются колебаниями.
Основными количественными характеристиками качки являются: период – время полного колебания и амплитуда – то есть наибольшее отклонение судна от положения равновесия. При этом для бортовой качки амплитудой является угол крена, а для килевой – угол дифферента.
Различают свободные или собственные и вынужденные колебания при указанных выше видах качки.
Свободная (собственная) качка наблюдается на тихой воде после прекращения действия сил, которые вывели судно из положения равновесия. Свободные колебания на тихой воде быстро затухают вследствие действия сил сопротивления воды.
Вынужденная качка вызывается периодически изменяющимися силами давления воды, что имеет место при повышении и понижении уровня воды у бортов судна при плавании его на взволнованной поверхности. Вынужденная качка продолжается длительное время и представляет наибольший практический интерес для оценки безопасности плавания судов в штормовую погоду. Однако параметры вынужденной качки тесно связаны с параметрами собственной качки судна, поэтому изучение последней также представляет интерес.
Качка оказывает вредные воздействия на судно, которые затрудняют его нормальную эксплуатацию. Эти воздействия зависят как от специфических особенностей самого судна, так и волн, с которыми оно встречается в плавании. К наиболее неблагоприятным последствиям качки относятся: снижение поперечной остойчивости, а иногда и потере ее, заливание палубы водой, возможность подмочки и повреждения груза, его смещения, снижение скорости хода, вредное воздействие на физиологическое состояние экипажа и пассажиров («морская болезнь»), ухудшение работы механизмов и приборов вследствие воздействия на них инерционных динамических нагрузок, возникающих при качке судна.
Для водоизмещающих судов при их соотношении главных размерений наиболее неблагоприятное воздействие оказывает бортовая качка. В зависимости от интенсивности колебаний различают плавную качку и порывистую. На регулярной волне, если период волны далек от периода собственных колебаний судна, находящегося лагом к волне, то оно качается с периодом волны.
При совпадении периода волны с периодом собственных колебаний судна возникает резонанс, и качка становится особенно резкой. На нерегулярном волнении в моменты, когда на судно действуют волны с периодом, близким к периоду собственных колебаний судна, также возникает резонанс. Плавность качки зависит от периода собственных поперечных (бортовых) колебаний судна t.
Качка считается плавной, если t > 15 сек. Если период колебания меньше 5-6 сек, то качку классифицируют как порывистую. Поэтому необходимо установить связь величины этого периода с размерениями судна. Основой для этого служит известная формула для определения периода собственных колебаний судна
где I – момент инерции массы судна относительно продольной центральной оси; DI– момент инерции присоединенной массы воды; g – ускорение свободного падения.
Момент инерции массы судна зависит от его главных размерений. Для судна, имеющего форму параллелепипеда равной массы, которая равномерно распределена по его поперечному сечению в виде прямоугольника со сторонами, равными размерениями судна В и Н, момент инерции будет
Для действительных судов реальное распределение масс по поперечному сечению можно учесть следующим образом
где а, b – имперические коэффициенты, зависящие от типа судна. По формуле Ю.А. Шиманского а = 1,05 (a 2 / d), b = 1. Г.Е. Павленко дает а = b = 0,75, по Дуайеру а = 1 и .
В общем виде (5.24) можно представить
Момент инерции присоединенной массы воды может быть представлен в долях от момента инерции судна
Подставляя (5.25) и (5.26) в (5.22) получаем
или объединив постоянные величины для рассматриваемого судна, будем иметь
Из полученного выражения следует, что чем больше остойчивость судна, тем меньше период собственных поперечных колебаний судна и, следовательно, поперечная качка будет более порывистая. Это позволяет заключить, что судно не только не должно иметь остойчивость ниже минимально необходимого уровня, но и избыточная остойчивость также приводит к ухудшению его мореходных качеств. В частности многие грузовые суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания из-за ограничения по глубинам судового хода имеют сравнительно небольшую осадку и большое отношение В/Т. Это приводит к избыточной их остойчивости и, как следствие, они имеют порывистую бортовую качку. Последнее не столько актуально в речных условиях, однако имеет существенное значение при плавании по крупным водохранилищам и в морских условиях.
Источник: infopedia.su