Контроль и регулирование движения судна (стр. 1 из 4)

Реферат на тему:

Контроль и регулирование движения судна

Качкой называют 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, z и 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 z вызывает 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_m возрастает) 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_B определяется 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_B определяется 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.