4) Изменение координат ц.Т. Судна при перемещении грузов

Вычисление координат Ц.Т. судна при перемещении груза основывается на применении известной в теоретической механике теоремы: если в системе, состоящей из нескольких тел, одно из тел переместится в каком-либо направлении, то и Ц.Т. всей системы переместится в том же направлении параллельно перемещению Ц.Т этого тела. При этом величина перемещения Ц.Т системы составит такую часть от перемещения Ц.Т тела, какую вес тела составляет от веса всей системы.

Перемещсние тела в произвольном направлении можно заменить тремя последовательными перемещениями параллельно выбранным главным осям. Таким образом, общий случай переноса груза на судне можно заменить тремя частными случаями, а именно: перемещениями по вертикали и перемещениями по горизонтали вдоль и поперек судна.

Перемещение груза по вертикали.

Предположим, что груз Р перемещен по вертикали из трюма на палубу. Водоизмещение судна d при этом не изменится, но центр тяжести судна переместится по вертикали в сторону перемещения груза из точки G в точку G1. Применительно к рассматриваемому случаю вертикального перемещения груза приведенная выше теорема позволяет записать:

GG1/lZ = P/D откуда GG1 = (P/D)×lZ (1),

где lz - расстояние, на которое переместился Ц.Т. груза Р в вертикальном направлении.

Для определения нового положения Ц.Т. судна, т.е. аппликаты ZG1точки G1, воспользуемся выражением (1) и подставим вместо отрезка GG1 разность аппликат ZG1-ZG2. Тогда получим;

ZG1 = ZG + (P/D)×lZ (2),

Если вместо одного груза по вертикали перемещается несколько грузов P1, P2, ... Pn, то Ц.Т. судна переместится на расстояние:

GG1 = (P1×lZ1+ P2× lZ2+...+ Pn× lZn)/D,

где lZ1, lZ2, lZn - расстояния, на которые перемещены грузы P1, P2, ... Pn в вертикальном направлении ( с соответствующими знаками перед плечами lZ если груз перемещается снизу вверх, плечо берется с плюсом, если сверху вниз - с минусом).

Аппликата нового положения Ц.Т. судна определится из уравнения:

ZG1 = ZG + (P1×lZ1+ P2× lZ2+...+ Pn× lZn)/D.

Перемещение груза по горизонтали поперек судна

Пусть груз р перемещается пo горизонтали поперек судна из точки А в точку В на расстояние lу. Перемещение производится параллельно начальной ватерлинии ВЛ, т.е. параллельно оси ОУ. Заметим, что такой перенос груза можно представить как снятие груза в точке А и прием такого же груза в точке В. Если приложить к судну в этих точках две равные, но противоположные вертикальные силы,то образуется пара сил на плече l_у, момент которой, вызовет крен судна. Таким образом, горизонтальное перемещение груза поперек судна вызовет поперечное наклонение - крен, и ватерлиния займет новое положение В₁Л₁, т.е. изменится посадка судна. При перемещении груза поперек судна в горизонтальном направлении Ц.Т. судна, расположенный в точке G, переместится в том же направлении. Расстояние, на которое перемещается Ц.Т. судна, по аналогии с предыдущим случаем, определяется выражением:

GG₁ = (P/D)×l_Y,

где l_Y - расстояние, на которое переместился Ц.Т. груза в горизонтальном направлении поперек судна. В случае переноса нескольких грузов P₁, P₂, ... P_n расстояние, на которое переместится Ц.Т. судна может быть найдено с помощью формулы:

GG₁ = (P₁×l_y1+ P₂× l_y2+...+ P_n× l_yn)/D,

где у1, у2, ... , уn расстояния, на которые были перемещены грузы P₁, P₂, ... P_n (с соответствующими знаками перед плечами l_y: при перемещении груза слева направо, плечо берется с плюсом, при перемещении справа налево - с минусом).

Перемещение груза по горизонтали вдоль судна.

Допустим, что груз Р перемещен по горизонтали вдоль судна из точки A в точку В на расстояние l_х . Как в предыдущем случае, такой перенос груза можно представить как снятие груза в точке А и прием такого-же груза в точке В. Прикладывая к судну в точках А и В две равные, но противоположно направленные вертикальные силы, видим, что продольный перенос груза приводит к образованию пары сил на плече l_х. Момент этой пары сил вызывает дифферент судна, вследствие чего первоначальная ватерлиния ВЛ занимает новое положение В₁Л₁. При перемещении груза Ц.Т. судна переместится из точки G в точку G₁ по горизонтали параллельно направлению перемещения груза Р. Применяя описанную выше методику, можно определить величину этого перемещения:

GG₁ = (P/D)×l_х,

где l_х - расстояние, на которое переместился Ц.Т. груза в горизонтальном направлении

вдоль судна. Абсцисса Ц.Т. судна в его новом положении будет:

X_G1 = X _G + (P/D)×l_x.

Если на судне перемещается несколько грузов и на разное расстояние, то перемещение Ц.Т. судна будет:

GG₁ = (P₁×l_x1+ P₂× l_x2+...+ P_n× l_xn)/D,

тогда абсцисса новою положения Ц.Т. судна будет:

X_G1 = X _G + (P₁×l_x1+ P₂× l_x2+...+ P_n× l_xn)/D.

Качка

Качкой называются колебательные движения, которые судно совершает около положения его равновесия.

Колебания называются свободными (на тихой воде), если они совершаются судном после прекращения действия сил, вызвавших эти колебания (шквал ветра, рывок буксирного троса). Из-за наличия сил сопротивления (сопротивления воздуха, трения воды) свободные колебания постепенно затухают и прекращаются. Колебания называются вынужденными, если они совершаются под действием периодических возмущающих сил (набегающие волны).

Качка характеризуется следующими параметрами (рис. 8): амплитудой θ — наибольшим отклонением от положения равновесия; размахом — суммой двух последовательных амплитуд; периодом Т — временем совершения двух полных размахов; ускорением.

Качка затрудняет эксплуатацию машин, механизмов и приборов из-за воздействия возникающих сил инерции, создает дополнительные нагрузки на прочные связи корпуса судна, оказывает вредное физическое воздействие на людей.

Параметры качки

Рис. 8. Параметры качки: θ1 и θ2 амплитуды; θ1+ θ2 размах.

Различают бортовую, килевую и вертикальную качку. При бортовой качке колебания совершаются вокруг продольной оси, проходящей через центр тяжести судна, при килевой — вокруг поперечной. Бортовая качка при малом периоде и больших амплитудах становится порывистой, что опасно для механизмов и тяжело переносится людьми.

Период свободных колебаний судна на тихой воде можно определить по формуле Т = c(B/√h, где В — ширина судна, м; h — поперечная метацентрическая высота, м; с — коэффициент, равный для грузовых судов 0,78 — 0,81.

Из формулы видно, что с увеличением метацентрической высоты уменьшается период качки. При проектировании судна стремятся достигнуть достаточной остойчивости при умеренной плавности качки. При плавании на волнении судоводитель должен знать период собственных колебаний судна и период волны (время между набеганием на судно двух соседних гребней). Если период собственных колебаний судна равен или близок периоду волны, то наступает явление резонанса, которое может привести к опрокидыванию судна.

При килевой качке возможно либо заливание палубы, либо при оголении носа или кормы их удары о воду (слеминг). Кроме того, ускорения, возникающие при килевой качке, значительно больше, чем при бортовой. Это обстоятельство должно учитываться при выборе механизмов, устанавливаемых в носу или в корме.

Вертикальная качка вызывается изменением сил поддержания при прохождении волны под судном. Период вертикальной качки равен периоду волны.

Для предотвращения нежелательных последствий от действия качки судостроители применяют средства, способствующие если не полному прекращению качки, то по крайней мере умерению ее размахов. Особенно остро стоит эта проблема для пассажирских судов.

Для умерения килевой качки и заливания палубы водой у ряда современных судов делают значительный подъем палубы в носу и в корме (седловатость), увеличивают развал носовых шпангоутов, проектируют суда с баком и ютом. При этом в носу на баке устанавливают водоотбойные козырьки.

Для умерения бортовой качки применяют пассивные неуправляемые или активные управляемые успокоители качки.

К пассивным успокоителям относят скуловые кили, представляющие собой стальные пластины, устанавливаемые на протяжении 30 — 50 % длины судна в районе скулы вдоль линии тока воды (рис. 9). Они просты по устройству, уменьшают амплитуду качки на 15 — 20%, но оказывают значительное дополнительное сопротивление воды движению судна, уменьшая скорость хода на 2-3 %.

Схема действия скуловых килей

Рис. 9. Схема действия скуловых (боковых) килей.

Пассивные цистерны — это цистерны, устанавливаемые по бортам судна и соединенные между собой внизу переливными трубами, вверху — воздушным каналом с разобщительным клапаном, регулирующим переливание воды с борта на борт. Можно так отрегулировать сечение воздушного канала, что жидкость при качке будет переливаться с борта на борт с запаздыванием и тем самым создавать кренящий момент, противодействующий наклонению. Эти цистерны эффективны при режимах качки с большим периодом. Во всех прочих случаях они не умеряют, а даже увеличивают ее амплитуду.

В активных цистернах (рис. 10) вода перекачивается специальными насосами. Однако установка насоса и автоматического устройства, управляющего работой насоса, значительно усложняет и удорожает конструкцию.

Активные успокоительные цистерны

Рис. 10. Активные успокоительные цистерны.

В настоящее время на пассажирских и научно-исследовательских судах чаще всего применяют активные боковые рули (рис. 11), представляющие собой рули обычного типа, устанавливаемые в наиболее широкой части судна несколько выше скулы почти в горизонтальной плоскости. С помощью электрогидравлических машин, управляемых по сигналам от датчиков, реагирующих на направление и скорость наклонения судна, можно менять их угол атаки. Так, при наклонении судна на правый борт на рулях устанавливают угол атаки таким, чтобы возникающие при этом подъемные силы создавали моменты, обратные наклонению. Эффективность рулей на ходу достаточно высока. При отсутствии качки рули убирают в специальные ниши в корпусе, чтобы не создавать дополнительного сопротивления. К недостаткам рулей можно отнести их малую эффективность при малых ходах (ниже 10 — 15 уз) и сложность системы автоматического управления ими.

Активные боковые рули

Рис. 11. Активные боковые рули: а - общий вид; б - схема действия; в - силы, действующие на боковой руль.

Успокоителей для умерения килевой качки не существует.

Следует отметить, что подводные суда и суда с малой площадью ватерлинии практически не испытывают качки и, следовательно, отсутствует необходимость оборудования этих судов устройствами для ее умерения.

Непотопляемость

Непотопляемостью называется способность судна оставаться на плаву, сохраняя в достаточной степени остойчивость и некоторый запас плавучести, при затоплении одного или нескольких отсеков.

Масса влившейся внутрь корпуса воды изменяет посадку, остойчивость и другие мореходные качества судна. Непотопляемость судна обеспечивается его запасом плавучести: чем больше запас плавучести, тем больше забортной воды оно может принять, оставаясь на плаву.

Выбор числа переборок на судне (помимо ряда других обстоятельств) определяется с учетом влияния затопления каждого из отсеков на посадку и остойчивость судна.

Объем любого отсека или их группы должен быть меньше запаса плавучести, а уменьшение остойчивости при затоплении отсека или группы отсеков не должно сопровождаться опрокидыванием.

Количество непроницаемых переборок и расстояния между ними определяют с использованием кривой предельных длин отсеков, получаемой путем выполнения специального расчета. Ординаты кривой представляют собой наибольшие длины отсеков, которые может иметь судно, чтобы при затоплении какого-либо из них оно не погружалось глубже предельной линии погружения, проходящей на 76 мм ниже бортовой линии палубы переборок (палуба, до которой доходят поперечные непроницаемые переборки).

При установке на судне продольных водонепроницаемых переборок необходимо тщательно анализировать их влияние на непотопляемость. С одной стороны, наличие этих переборок может вызвать недопустимый крен после затопления отсека, с другой — отсутствие переборок отрицательно скажется на остойчивости из-за большой площади свободной поверхности воды.

Таким образом, деление судна на отсеки должно быть таким, чтобы при бортовой пробоине плавучесть судна исчерпывалась ранее его остойчивости: судно должно тонуть без опрокидывания.

Для спрямления судна, получившего крен и дифферент в результате пробоины, производят принудительное контрзатопление заранее подобранных отсеков с одинаковыми по величине, но с обратными по значению моментами. Эта операция выполняется с использованием таблиц непотопляемости — документа, с помощью которого можно с минимальной затратой времени определить посадку и остойчивость судна после повреждения, выбрать отсеки, подлежащие затоплению, а также оценить результаты спрямления до его выполнения на практике. Впервые принцип контрзатопления был предложен в конце прошлого века ученым-кораблестроителем С. О. Макаровым и в дальнейшем разработан академиком А. Н. Крыловым, который и предложил составлять для каждого судна таблицы непотопляемости.

Непотопляемость морских судов регламентируется Правилами Регистра, разработанными на основе Международной конвенции по охране человеческой жизни на море 1974 г. (СОЛАС-74). В соответствии с этими правилами судно считается непотопляемым, если после затопления одного любого отсека или нескольких смежных, количество которых определяется в зависимости от типа и размеров судна, а также числа находящихся на судне людей (обычно это один, а для крупных судов — два отсека), судно погружается не глубже, чем по предельную линию погружения. При этом начальная метацентрическая высота поврежденного судна должна быть не менее 5 см, а максимальное плечо диаграммы статической остойчивости — не менее 10 см, при минимальной протяженности положительного участка диаграммы 20°.