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

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 j, 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. 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 Мв скуловые 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
• Условия появления слеминга: волнение с встречных курсовых углов

Информация по теме:

Характеристика перегрузочного оборудования
Одним из важных средств технического процесса в промышленности на транспорте является комплексная механизация трудоемких производственных процессов, без которой невозможны высокие темпы дальнейшего роста производительности труда. Подъемно – транспортные машины характеризуются многообразием существу ...

Гидрометеорологические условия
Черное море Наиболее сильные и продолжительные ветры во всех районах моря отмечаются с октября по март с большей повторяемостью в северных районах моря. Ухудшение видимости из-за туманов происходит главным образом осенью и зимой; интенсивные осадки, ухудшающие видимость, редки. Зимой Черное море ок ...

Имитационная модель системы управления тормозами
Рисунок 12. Имитационная модель системы управления тормозами На данном рисунке приняты следующие обозначения: А-Блок, моделирующий тормозное колесо 1; Б - Блок, моделирующий регулятор и исполнительный механизм; В-Блок, моделирующий кабину и прицеп; ...