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
tq = Kk (B/h1/2m) (1)
где Kk — размерный коэффициент (принимают Kk = 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;
hm — 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 = tверт – (2,7-:-3)Т
где Т — осадка судна, м.
Связь между периодом бортовой качки и метацентрической высотой позволяет заметить, что при увеличении остойчивости (hm возрастает) снижается плавность качки (tq 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 , то относительная скорость встречи
c' = vcos j ± cB, (2)
где v — скорость судна, м/с;
сB — 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.
tB = lB/ c'
Длина волны lB 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 tB определяется временем, в течение которого две соседние волны проходят через одну неподвижную точку пространства. Приближенно скорость распространения волны
св=1,25 l1/2B.
Тогда кажущийся период волны
tB = lB / (vcos j ± 1,25 l1/2B). (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. 12. Возникновение сил на скуловых килях при качке
Наиболее простым средством являются скуловые кили — пластины, установленные на скуловом поясе перпендикулярно обшивке (рис. 12). Протяженность их соответствует длине цилиндрической вставки, ширина — габаритам шпангоута. При действии возмущающего момента Мв скуловые кили создают момент сопротивления силам Р. Применяют также активные скуловые кили (бортовые рули, стабилизирующие качку).
Рис. 13. 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. 13). 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 перекает 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.
4.1 Расчет амплитуды качки
Амплитуда качки судна рассчитывается по формуле
qr = 109k*x1*x2* r*S
где k – коэффициент учитывающий влияние скуловых килей, k = 1 (скуловые кили отсутствуют).
x1 – безразмерный множитель, зависящий от отношения ширины судна к осадке (В/d):
B/d = 13/3,63 = 3,58 по табл. 2.1.3.1-1[3] x1 = 0,79
x2 – безразмерный множитель, зависит от коэффициента полноты сВ
где сВ = V/LBT = D/gLBT = 4460/1,025*110*13*3,63 = 0,84
по табл. 2.1.3.1-2[3] для сВ > 0,7 x2 = 1,0
r – параметр определяемый по формуле:
r = 0,73 * 0,6(zq – d)/d = 0,73 + 0,6 ((3,51 -3,63)/3,63) = 0,71
S – безразмерный множитель, зависит от района плавания и периода качки Т
Т = 2сВ/ h
где с = 0,373 + 0,023 В/d – 0,043 L/100 = 0,373 + 0,023(13/3,63) -0,043* *(110/100) = 0,408
Т = 2 * 0,408 *13/ 2,26 = 7,07
по табл. 2.1.3.1-3[3] для Т = 7,07 S = 0,098 при неограниченном районе плавания.
qr = 109 * 1 *0,79 *1 * 0,71* 0,098 = 22,7o
T = 7,07
qr = 22,7o
4.2. Определение опрокидывающего момента с учетом бортовой
качки.
На диаграмме динамической остойчивости (рис.8) вправо начала координат откладываем r – амплитуду качки динамической остойчивости в точке А1
Через точку А1 проводим прямую, перпендикулярную оси абсцисс и на ней откладываем отрезок АА1 = 2 qr..
Полученная точка А будет начальной для кривой динамической остойчивости.
Из начала (точка А) проводим касательную к диаграмме динамической остойчивости. Отрезок АА1 продлеваем до пересечения с вертикалью из точки на абсциссе 1 рад (57,3о).
Эта вертикаль пересекается с касательной к кривой в точке В. Отрезок ВС равен плечу опрокидывающего момента ВС.
ВС = 0,85 м lqопр = 0,85 м
Определим опрокидывающий момент с учетом качки:
Мопрmin = D* lqопр = 4460*0,85 = 3790 нм
Мопрmax =D* lqопр*q = 4460*0,85*9,8 = 37800 нм
4.3. 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 конструктивных 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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
