Кафедра “Управление судном”

2

УДК 656.61.052 (072) ББК 39.42

ДМ 21

Составители: Мальцев А.С. Смирнов С.В. Устименков. Я В.

Управление судном: методические указания по выполнению курсовой работы на тему «Определение маневренных характеристик

Д М21 судна». / Сост. Мальцев А.С., Устименков Я.В., Мамонтов В.В. – Одесса: ОНМА, 2015. – 61 с.

УДК 656.61.052 (072)

© Одесская национальная морская академия, 2015

6

1. СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ И УКАЗАНИЯ ПО ЕЕ ОФОРМЛЕНИЮ И ЗАЩИТЕ

1.1.Назначение курсовой работы

Курсовая работа предназначена для получения практических навыков по расчету маневренных свойств судна и понимания физических процессов, которые происходят при его маневрировании на глубокой воде и мелководье.

1.2.Содержание и объем курсовой работы

Курсовая работа должна содержать титульный лист и лист задание рекомендуемого образца, приведенного в Приложении А и Б.

Содержание работы должно освещать решение следующих вопросов:

1.Классификацию маневренных характеристик и основные определения.

2.Расчет переходных коэффициентов:

2.4.Расчет переходных коэффициентов мелководья.

3.Расчет характеристик пассивного торможения.

4.Расчет характеристик активного торможения.

5.Расчет характеристик поворотливости и диаграммы управляемости.

6.Расчет характеристик разгона и подтормаживания.

7.Расчет параметров поворотливости на мелководье.

Работа должна быть выполнена от руки, объем работы до 35 страниц рукописного текста.

1.3. Основные требования к оформлению расчетно-пояснительной записки и чертежей

Оформление курсовой работы выполняется в соответствии с требованиями методических указаний, ДСТУ 3008-95 «Документация. Отчеты в сфере науки и техники. Структура и правила оформления» и ГОСТ 2.105-95 «Требования к текстовым документам», утвержденным как межгосударственный стандарт. Здесь приведены основные выдержки из этих документов.

Структура курсовой работы.

Структура курсовой работы должна включать:

–титульный лист (Приложение А);

–содержание;

–исходные данные для расчета маневренных характеристик (Приложение Б);

7

–введение;

–краткие сведения о маневренных характеристиках, включая их классификацию и основные определения;

–расчет переходных коэффициентов:

–расчет характеристик пассивного торможения;

–расчет характеристик активного торможения;

–расчет характеристик поворотливости и диаграммы управляемости;

–расчет характеристик разгона и подтормаживания;

–расчет влияния мелководья на параметры поворотливости;

–заключение;

–список использованной литературы.

Курсовая работа оформляется на листах формата А4 рукописным способом на одной стороне листа.

Заголовки подразделов, пунктов и подпунктов курсовой работы следует начинать с абзацного отступа и печатать строчными буквами, кроме первой прописной, не подчеркивая, без точки в конце. Абзацный отступ должен быть одинаковым по всему тексту и равняться пяти знакам.

Если заголовок состоит из двух и более предложений, их разделяют точкой. Перенос слов в заголовке не допускается.

Расстояние между заголовком и последующим или предыдущим текстом должно быть не менее двух строк.

Нумерация страниц. Страницы следует нумеровать арабскими цифрами, придерживаясь сквозной нумерации по всему тексту курсовой работы. Номер страницы проставляют в правом верхнем углу страницы без точки.

Титульный лист и лист-задание входят в общую нумерацию страниц курсовой работы, но номер страницы на титульном листе не проставляют. Иллюстрации и таблицы, размещенные на отдельных страницах, включают в общую нумерацию страниц курсовой работы.

Иллюстрации. Иллюстрации (чертежи, рисунки, графики, диаграммы) следует размещать в курсовой работе непосредственно после текста, где они упоминаются впервые, или на следующей странице. На все иллюстрации должны быть ссылки в работе в виде выражения в круглых скобках “(рис. 3)” или оборота типа: “... как это видно на рис. 3” или “...как это показано на рис. 3”.Нумерация рисунков – сквозная. Названия иллюстраций размещают под иллюстрацией сразу после их номеров. Например, «Рисунок 3 – Линейный график пассивного торможения».

Все рисунки и графики должны быть выполнены черными (синими) чернилами, пастовой ручкой или тушью с использованием лекал и других чертежных инструментов.

Таблицы. Цифровой материал, как правило, оформляют в виде таблиц,

9

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

2.1.Классификация маневренных характеристик

Для описания поведения судна, как объекта управления, используют совокупность параметров, которые позволяют судить о физических процессах, происходящих при изменении режима его движения, называют маневренными характеристиками. Их подразделяют на две основные группы: инерционнотормозные и управляемости.

В связанной с судном системе координат, общепринятая система дифференциальных уравнений, описывающая движение судна в горизонтальной плоскости имеет вид [1]

где Рe - сила упора винта; Re - боковая сила винта и сила взаимодействия винта и корпуса судна; Rгx, Rax, Rpx - продольные составляющие гидродинамической, аэродинамической сил и силы на руле; Rгу, Rау, Rру - поперечные составляющие тех же сил; Mг, Mа, Mбс, Mр - моменты гидро и аэродинамической сил, боковой силы винта и руля; 11, 12, 66 - присоединенная масса по оси Х, У, и присоединенный момент инерций; Vx, Vy и ω составляющие линейной и угловой скоростей.

При расчете инерционно-тормозных характеристик используют первое уравнение системы (1), которое при прямолинейном движении записывается

где mx – масса судна у учетом присоединенной массы по оси Х; К - коэффициент сопротивления.

При решении уравнения (2) вводят ряд допущений, которые упрощают расчет пути и времени торможения с сохранением точности, требуемой нормативными документами. Основные из допущений следующие.

1. Присоединенная масса воды по оси Х приближенно равна 10% от массы судна (mх=1,1· D) и остается неизменной при маневрировании. Более точно величину присоединенной массы можно определить по формуле

где В - ширина судна; Т - средняя осадка; - массовая плотность воды.

2.Зависимость сопротивления воды и воздуха от скорости носит квадратичный характер, а коэффициенты сопротивления воды К и воздуха Ки во время маневрирования постоянны.

3.Упор винта в процессе активного торможения изменяется по

10

где Рmax- значение силы упора винта в момент остановки; Vх - текущая скорость; Vн - скорость в момент начала вращения винта на задний ход.

4.При маневрировании новое назначенное число оборотов достигает своего значения в момент подачи команды.

2.2.Инерционно-тормозные характеристики

Для описания судна, как объекта управления, используют маневренные характеристики. Их классификация приведена на рис.1.

Рисунок 1 - Классификация маневренных характеристик

11

В соответствии с приведенной классификацией [1] к инерционнотормозным характеристикам относятся: разгон; подтормаживание; пассивное торможение и активное торможение.

Приведем краткое определение каждой из приведенных характеристик. Пассивное торможение представляет собой процесс уменьшения

скорости при движении судна с неработающим движителем, за счет сопротивления воды.

Активным торможением называется процесс уменьшения скорости движения судна за счет упора винта, работающего на задний ход.

Разгон представляет собой процесс увеличения скорости от низшей ступени к высшей. Особым случаем такого маневра является разгон из неподвижного состояния и разгон с переложенным рулем.

Подтормаживанием называется процесс уменьшения скорости от высшей ступени движения к низшей.

К характеристикам устойчивости относятся: постоянная времени задержки поворота Т(δ); устойчивость на курсе, критерий Q; зона неустойчивости 0 , 0р; одерживания поворота, время tо( ) и угол о ( ).

Рисунок 2 – Движение судна на циркуляции

Количество характеристик торможения и форма их представления, которые должны быть на судне, определяются рекомендациями ИМО и

12

требованиями национальных нормативных документов Украины (РШСУ-98) [3]. При назначении режима движения судна используют условное деление всей мощности на части, равные 0.7, 0.5, 0.3 от мощности полного переднего хода.

Для обозначения режимов движения будем использовать условные обозначения, рекомендованные РШСУ -98: ПП - передний полный ход; ППм - передний полный маневренный ход; ПС - передний средний ход; ПМ - передний малый ход; ПСМ - передний самый малый ход; ЗП - задний полный ход; ЗС - задний средний ход; ЗМ - задний малый ход; ЗСМ - задний самый малый ход.

Из данных о характеристиках, которые составляют полное представление

оего свойствах, только 20% от общего количества имеется в настоящее время на судне. Сложилась парадоксальная ситуация, когда на судне имеются данные

оманевренных характеристиках для режимов, которые не используются на мостике судна при обычном маневрировании во время эксплуатации.

Последнее время на судах широко внедрена рекомендация ИМО о составлении на судах судового плана перехода, с детализацией всех этапов движения судна, «от причала до причала». Однако построить указанный план при отсутствии соответствующих данных практически невозможно. В то же

время требования, которые содержатся в Резолюции ИМО А.751 (18), принятой 4 ноября 1993 года, не определяют объем и количество данных, которые должны быть на судне. Они содержат требования, которые скорей можно отнести к тем, при которых должны проектироваться суда, другими словами нормируют их значения. Судоводитель обычно работает на судне, которое уже построено, и он должен определять значения параметров и учитывать те характеристики, которыми оно обладает.

Для описания каждого из приведенных выше режимов движения применяют дифференциальные уравнения, которые описывают перемещение центра тяжести по продольной оси. Их получают из системы уравнений (1).

Процесс пассивного торможения описывается дифференциальным уравнением

Он имеет два периода. Прохождение команды t', от момента подачи команды "Стоп" до прекращения подачи топлива на главный двигатель, (и обычно его принимают равным 10 с). Собственно пассивное торможение t'', от начальной скорости Vo до конечной скорости Vк, которую принимают равной 0.2 V0 или скорости потери управляемости, что наступит раньше (см рис. 3).

Решение уравнения (5) относительно пути, времени и скорости позволяет получить следующие выражения. Значение пути I периода равно

SI = 0.514·V0·tI,

где V0 –начальная скорость в узлах; tI – время I периода, которое в системах с

13

дистанционным автоматизированным управлением (ДАУ) составляет около 5 с, в обычных двигателях можно принять равным 10 с.

Значение времени и пути II периода равно:

Рисунок 3 - График изменения скорости при пассивном торможении

Величину коэффициента общего сопротивления К можно получить по эмпирическим формулам

где Ω – площадь смоченной поверхности, м2; В – ширина судна, м; Т – средняя осадка, м.

Площадь смоченной поверхности определяется по эмпирической формуле

Наиболее точным будет определение коэффициента К из натурных

14

наблюдений, однако, для всех возможных водоизмещений это сделать затруднительно. Поэтому для уменьшения затрат времени на натурные наблюдения и повышения точности расчетного способа использую переходные коэффициенты. При этом для водоизмещения при эксперименте рассчитывают Красч и определяют Кэ, тогда переходный коэффициент равен

Время и путь пассивного торможения будут равны

Информация о пассивном торможении используется при снижении скорости перед началом маневрирования, в случае отказа двигателя или как составная часть активного торможения.

Процесс активного торможения описывается дифференциальным уравнением

Обозначим коэффициент активности торможения, а = Pmax / кVн2 , и с учетом характера изменения силы упора винта, в процессе активного торможения, описываемого формулой (3), уравнение (11) можно привести к виду, удобному для интегрирования

Вид решения уравнения (13) зависит от значения коэффициента а.

сопротивления Rx= kVх2 может давать суммарную тормозящую силу как возрастающую при а> 1, так и снижающуюся при а <1. При его значении равном нулю уравнение (13) приводится к уравнению (4) с соответствующим решением (6) и (7).

Значение максимальной силы упора винта можно получить расчетным путем, а также определить из натурных наблюдений. Расчетный способ

изолированного винта (на швартовых) Ршв (без учета влияния корпуса на работу винта) и коэффициента, учитывающего взаимодействие корпуса и винта, получившего название коэффициента усиления упора Суу. Он зависит от соотношения между площадью диска винта и площадью погруженной части мидель-шпангоута. Для расчета значения Ршв применяют следующую формулу

15

где Кр – коэффициент упора винта на швартовых; - плотность воды, кг/м2; n – частота вращения винта, об/с; DВ – диаметр винта, м.

Коэффициент упора винта на швартовых определяется по формуле

где θ - дисковое отношение винта; Н - шаг винта, м; H/Dв - шаговое отношение; Z - число лопастей винта.

Коэффициент усиления упора Суу определяют по формуле

Экспериментально силу упора винта определяют следующим образом. В момент начала вращения винта на задний ход замечают начальную скорость активного торможения VН (падение скорости от V0 до VН происходит за счет пассивного торможения) и пускают секундомер, руль ставят прямо, записывают частоту вращения винта. В момент остановки судна останавливают секундомер, и получают значение tIII. После этого, методом последовательных приближений по формулам (19), (21) или (23), подбирают значение аэ и рассчитывают экспериментальное значение силы упора винта по формуле

Для этого же состояния судна при тех же параметрах движения производят

уточнения расчетного значения Рmax для состояний судна, отличных от их величин при эксперименте, по формуле

При коэффициенте а < 1 решения уравнения (13), с учетом обозначения