Посадка и остойчивость судна

Добавил пользователь Валентин П.
Обновлено: 19.09.2024

Учение об остойчивости рассматривает условия, при которых судно плавает в вертикальном положении и выпрямляется после наклонений. Однако морское судно должно не только иметь достаточную остойчивость, но и выполнять даже на взволнованном море максимально плавные движения. За достаточную остойчивость несет ответственность в первую очередь судостроительная верфь, а за ведение судна в штормовом море - командование судна. Важнейшая задача состоит в том, чтобы путем правильной загрузки соразмерить требования надежности судна (достаточная остойчивость, хорошая маневренность) и требования экономичности (использование трюмов по грузоподъемности и объему) и достичь таким образом наибольшей эффективности. Ответственность за остойчивость находящегося в море судна и за правильную загрузку всегда несет только капитан. Мы рассмотрим только поперечную остойчивость, т. е. способность судна выпрямляться при наклонениях вокруг продольной оси.

Поперечная остойчивость судна - метацентр

Устойчивое равновесие

Неустойчивое равновесие

C или С_Ө - центр величины, F_A - сила поддержания, F_G - вес судна, G - центр тяжести судна, M_C или M_Cө - метацентр, N - мнимый метацентр, ι - плечо остойчивости, Ө - угол крена

Момент остойчивости при наклонении судна вокруг продольной оси определяется весом судна, положением центра тяжести и метацентра, а также углом крена. Если у судна в грузу и у судна порожнем метацентрические высоты равны, то сначала, до входа кромки палубы в воду или оголения скулы, нагруженное судно будет более устойчиво против внешних влияний, чем порожнее и, следовательно, более легкое судно. Кроме того, естественно, что судно с тяжелым палубным грузом, у которого общий центр тяжести лежит выше, менее остойчиво, чем судно, у которого тяжелый груз лежит на дне и центр тяжести смещен вниз. Положение метацентра в большой мере зависит от формы судна, а также от угла крена. Решающую роль играют при этом ширина, высота борта и осадка судна. Если представить себе два судна с различной шириной при крене в 10°, ясно, что для наклонения более широкого судна требуются большие кренящие силы, чем для наклонения узкого; это видно также по входящему в воду и выходящему из воды клинообразному объему. У широкого судна входящий в воду и выходящий из воды объемы, а также путь их перемещения (плечо) больше, чем у более узкого судна. Соответственно различны и перемещения точки приложения выталкивающей силы. Понятно, что у широкого судна метацентр расположен над ватерлинией выше, чем у узкого. Широкое судно, таким образом, более остойчиво, чем узкое. С другой стороны, если при большем крене кромка палубы входит в воду, а скула оголяется, то путь перемещения вошедшего в воду и вышедшего из нее объемов меньше; следовательно, линия действия подъемной силы проходит через точку приложения выталкивающей силы и пересекает диаметральную плоскость - первоначальное направление действия выталкивающей силы - в более низкой точке, так что воображаемый метацентр смещается вниз, т. е. ближе к центру тяжести судна. Таким образом, остойчивость при погружении кромки палубы и при выходе скулы уменьшается. Но так как погружение кромки палубы зависит от высоты борта судна над ватерлинией (надводного борта), а выход скулы - от осадки судна, то оба эти размеренна в значительной мере определяют поперечную остойчивость судна при больших углах наклонения.

Продольная остойчивость судна

C или C_Ψ - центр величины, F_A - сила поддержания, F_G - вес судна, G - центр тяжести судна, M_L - продольный метацентр, ι - плечо остойчивости, Ψ - угол дифферента.

При наклонениях судна вокруг поперечной оси имеют место те же явления, что и при крене. Мера остойчивости вокруг поперечной оси, однако, значительно больше, чем вокруг продольной. Это объясняется величиной входящего в воду и выходящего из воды объемов, а также пути их перемещения. Поэтому перенос грузов в продольном направлении судна не имеет такого большого значения, как перенос в поперечном, и углы дифферента при волнении значительно меньше, чем углы крена. От дифферента зависят скорость судна и его маневренность. Угол дифферента выбирается не произвольно большим, а поддерживается в определенных границах путем соответствующего распределения груза. Как правило, суда ходят на ровном киле или с легким дифферентом на корму. У полностью погруженных плавающих тел - подводных лодок - устойчивое равновесие вокруг продольной и поперечной осей возможно только тогда, когда центр тяжести лежит ниже центра водоизмещения. При этом момент остойчивости вокруг всех осей одинаков, так как у полностью погруженных в воду тел при любом наклоне не возникает изменений формы вытесняющего объема и, следовательно, не может быть смещения центра водоизмещения. На волнении форма вытесняющего объема постоянно изменяется, а вместе с ней изменяются положение точки приложения выталкивающей силы и, следовательно, расстояние между метацентром и центром тяжести. Когда вершина волны проходит под серединой судна, метацентр лежит значительно ниже, чем при спокойной воде, и, кроме того, кромка палубы при крене погружается раньше, так что угол заката диаграммы статической остойчивости и максимальное плечо уменьшаются.

Поперечная остойчивость судна на волнении

а - судно на спокойной воде, b - судно на вершине волны, с - судно на подошве волны

У судов на вершине волны, при условии равенства длин и скоростей судна и волны, создаются особенно неблагоприятные условия для сохранения остойчивости, если волны набегают с кормы. Более благоприятные условия, чем при спокойной воде, возникают, если средняя часть судна находится на подошве, а оконечности - на вершинах волн. Пассажирские суда для обеспечения безопасности пассажиров и экипажа должны разделяться по длине водонепроницаемыми стенками - переборками таким образом, чтобы при возникновении течи в одном или нескольких отсеках судно сохраняло плавучесть и остойчивость. Если судно при аварии получит течь, вода будет проникать в получившие пробоины отсеки до тех пор, пока уровень воды внутри и снаружи не сравняется. При этом судно погружается глубже в той или иной степени в зависимости от положения затопленных отсеков меняет угол дифферента, и остойчивость его уменьшается.

Аварийное судно

1 - затопленный отсек, C и C_Ψ - центр величины, F_A - сила поддержания, F_G - вес судна, G -центр тяжести судна

Главное не только знать эти данные, но и правильно их применять в расчетах на практике

Вычисление координат Ц.Т. судна при перемещении груза основывается на применении известной в теоретической механике теоремы: если в системе, состоящей из […]

В нашей стране непотопляемость гражданских морских судов регламентируется требованиями, изложенными в части V “Правил классификации и постройки морских стальных судов” […]

Рассмотрим технологические процессы ремонта регуляторов давления турбонефтяного насоса. Разобранные детали насоса очищают от грязи, ржавчины, масла и промывают. Неподвижные соединения […]

Для определения посадки и остойчивости судна при произвольном перемещении грузов необходимо рассмотреть раздельно вертикальное, поперечное горизонтальное и продольное горизонтальное перемещение.

Необходимо помнить, что в начале следует выполнить расчеты, связанные с изменением остойчивости (вертикальное перемещение, подъем груза)

3.6.1 Вертикальное перемещение груза (рис.3.9) из точки 1 в точку 2 не создает момента, способного наклонить судно, и следовательно, его посадка не меняется (если только остойчивость судна при этом остается положительной). Такое перемещение приводит только к изменению по высоте положения центра тяжести судна. Можно сделать вывод, что данное перемещение приводит к изменению остойчивости нагрузки при неизменной остойчивости формы. Перемещение центра тяжести определяется по известной теореме теоретической механики:

где m – масса перемещаемого груза,

z₁ и z₂ – аппликаты ЦТ груза до и после перемещения.

Приращение метацентрических высот составит:

Судно после перемещения груза будет иметь поперечную метацентрическую высоту:

Вертикальное перемещение груза не приводит к значительному изменению продольной метацентрической высоты, ввиду малости δН по сравнению с величиной Н.

Рисунок 3.9 – Вертикальное Рисунок 3.10 – Поперечное горизонтальное

перемещение груза перемещение груза

3.6.2 Подвешенные грузыпоявляются на судне в результате подъема груза из трюма на палубу, приемом улова, выборкой сетей с помощью грузовых стрел и т.п. Влияние на остойчивость судна подвешенный груз (рис.3.9) оказывает аналогично вертикально перемещенному, только изменение остойчивости происходит мгновенно в момент отрыва его от опоры. При подъеме груза, когда натяжение в шкентеле станет равным весу груза, происходит мгновенное перемещение центра тяжести груза из точки 1 в точку подвеса (точку 2) и дальнейший подъем не будет оказывать влияние на остойчивость судна. Оценить изменение метацентрической высоты можно по формуле

где l = (z₂ – z₁) – первоначальная длина подвеса груза.

На небольших судах, в условиях пониженной остойчивости, подъем груза судовыми стрелами может представлять значительную опасность.

3.6.3 Поперечное горизонтальное перемещение грузамассой m (рис.3.10) приводит к изменению крена судна в результате возникающего момента m _кр с плечом (y₂ – y₁)cosΘ.

где y₁ и y₂ – ординаты положения ЦТ груза до и после перемещения.

Учитывая равенство кренящего m_кр и восстанавливающего моментов m_Θ, используя метацентрическую формулу остойчивости, получим: Δh sinΘ = m l_y cosΘ, откуда

Учитывая, что углы крена небольшие, можно считать, что

tgΘ = Θ = Θ 0 /57,3 0 ,

и формула примет вид:

Θ 0 = 57,3 0 m l_y /Δh.

Если до перемещения груза судно имело крен, то в данной формуле угол следует рассматривать как приращение δΘ 0

3.6.4 Продольное горизонтальное перемещение груза(рис.3.11) приводит к изменению дифферента судна и поперечной метацентрической высоты. По аналогии с предыдущим случаем при М_Ψ = М_диф, получим:

tg Ψ = m l_х /ΔН, или

Ψ 0 = 57,3 0 m l_х /ΔН.

На практике продольные наклонения чаще оценивают величиной дифферента D_f = Ψ 0 L /57,3 0 , тогда

где L – длина судна.

Используя момент, дифференующий судно на 1 см (входящий в состав грузовой шкалы и КЭТЧ),

Плавучестью называют способность судна поддерживать вертикальное равновесие в заданном положении относительно поверхности воды в результате действия силы веса судна и выталкивающей силы воды.

Свойство плавучести отличает судно от других инженерных сооружений. Мерой плавучести судна является его водоизмещение  - V, где  - плотность забортной воды.

Условия и уравнения равновесия плавающего судна. На судно, плавающее неподвижно в положении равновесия на спокойной поверхности воды, действуют следующие силы (рис. 1):

- сила веса всех его частей, которые приводятся к их равнодействующей - силе веса судна Р = g, направленной вертикально вниз и приложенной в центре тяжести (ЦТ) судна G (х_g, у_g, z_g);

- гидростатические силы давления воды, действующие по нормалям к подводной поверхности судна; горизонтальные составляющие этих сил взаимно уравновешиваются, а вертикальные составляющие приводятся к их равнодействующей - силе плавучести V ( - удельный вес забортной воды), направленной вертикально вверх и приложенной в центре величины (ЦВ) - ЦТ подводного объема судна С (х_c, у_с, z_с).

Основным физическим законом, определяющим плавучесть судна, служит закон Архимеда, согласно которому сила веса судна равна силе плавучести, а масса (водоизмещение судна ) равна массе вытесненной им воды:

Формулы (1.10) являются математическими выражениями первого условия равновесия плавающего судна.

Запас плавучести . Запасом плавучести называют непроницаемый для воды объем корпуса судна, расположенный выше ГВЛ и включающий помещения, ограниченные верхней водонепроницаемой палубой, а также водонепроницаемые надстройки и рубки. Он определяет дополнительную нагрузку, которую может принять судно до того, как оно потеряет способность держаться на воде. Запас плавучести, выраженный в процентах от объемного водоизмещения судна, на транспортных грузовых судах составляет 25-30%, на танкерах 10-15%, на пассажирских судах 80-100%.

Необходимый запас плавучести судна обеспечивается назначением ему минимальной высоты надводного борта, достаточной для безопасного плавания в определенных районах и в определенное время года.

§ 2. Остойчивость судна

Начальная остойчивость судна

В механике различают три вида статического равновесия тела. Если тело находится в положении равновесия и при малом отклонении возвращается в свое первоначальное положение, то такое равновесие называют устойчивым. Если при малом отклонении тело остается в том положении, в какое его отклонили, то равновесие будет безразличным. Наконец, если при малом отклонении тело будет стремиться еще больше отклониться от своего первоначального положения, то равновесие будет неустойчивым.

В статике судна применительно к равновесию плавающего судна в условиях возможного воздействия на него внешних моментов известное в механике свойство статической устойчивости принято называть статической остойчивостью или просто остойчивостью.

Таким образом остойчивость можно определить как способность судна, отклоненного внешним моментом в вертикальной плоскости от положения равновесия, возвращаться в исходное положение равновесия после устранения момента, вызвавшего отклонение.

При анализе остойчивости судна рассматривают его наклонения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях - поперечной и продольной. Наклонения в поперечной вертикальной плоскости, характеризуемые углами крена, связаны с поперечной остойчивостью судна, а наклонения в продольной плоскости, определяемые углами дифферента, с продольной остойчивостью судна.

Метацентры и метацентрическне радиусы.

При равнообъемном наклонении плавающего тела в какой-либо вертикальной плоскости в общем случае ЦВ (точка С) выходит из плоскости наклонения и перемещается в сторону наклонения по некоторой пространственной кривой, которая носит название траектории ЦВ. Проекцию траектории ЦВ на соответствующую ей плоскость наклонения называют кривой ЦВ. При бесконечно малом наклонении тела из равновесного прямого положения на угол  (см. рис. 2) можно принять допущение, что траектория ЦВ совпадает с плоской кривой, которую в пределах участка СС₁ можно считать дугой круга с центром в точке m. Радиус этого круга r, называют начальным метацентрическим радиусом плавающего тела для данной плоскости его наклонения, а его центр m - начальным метацентром тела.

Рис. 2 Метацентр

Метацентрические высоты . Расстояние между начальным метацентром m и ЦТ судна G носит название начальной метацентрической высоты h₀ или просто метацентрической высоты, которая считается положительной, если метацентр расположен выше ЦТ, и отрицательной, если он расположен ниже ЦТ.

Главным плоскостям наклонения соответствуют главные мета-центрические высотыч одна из которых будет наибольшей, а другая наименьшей в данном равновесном положении судна. Если в равновесном положении судно сидит прямо и на ровный киль, то главными плоскостями наклонения будут являться ДП и перпендикулярная ей плоскость, параллельная плоскости мидель-шпангоута. Главные метацентрические высоты, отвечающие этим плоскостям наклонения, называют продольной Н и поперечной h метацентрическими высотами.
§ 3. Непотопляемость судна

Непотопляемостью судна называют его способность оставаться на плаву после затопления части его внутренних помещений (отсеков), имея посадку и остойчивости обеспечивающие хотя бы ограниченное использование судна по назначению. Непотопляемость, в отличие от остойчивости неповрежденного судна, нельзя рассматривать как его мореходное качество. Непотопляемость является свойством судна сохранять свои мореходные качества в заданных пределах. Таким образом, судно обладает непотопляемостью, если после затопления части отсеков оно сохраняет плавучесть, остойчивость и посадку в той мере, которая достаточна для выполнения хотя бы чарти его функций.
§ 4. Категории затопленных отсеков

При затоплении отсеков судна возможны различные варианты их заполнения. В зависимости от характера затопления различают четыре категории затопленных отсеков (рис. 3):

- отсек первой категории - заполнен водой полностью;

- отсек второй категории - заполнен не полностью (имеет свободную поверхность), но не сообщается с забортной водой;

- отсек третьей категории - заполнен частично и сообщается с забортной водой через пробоину;

- отсек четвертой категории - в нем уровень воды не совпадает с аварийной ватерлинией судна, т. е. это отсек с замкнутой или уменьшающейся воздушной подушкой.

Отсеки первой категории являются обычно следствием аварийного затопления междудонных цистерн из-за касания корпусом грунта. При затоплении отсека первой категории расход запаса плавучести равен объему воды, влившейся в отсек. Плавучесть судна не зависит от того, сообщается отсек первой категории с забортной водой или нет. Начальная остойчивость судна при этом увеличивается.

Рнс.3. Затопленные отсеки различных категорий: а-первой; б - второй; в - третьей; г – четвертой

Аварийное затопление отсеков второй категории может возникнуть при фильтрации воды из соседнего отсека через небольшое повреждение или через заделанную пробоину, когда производительность водоотливных средств близка к интенсивности поступления воды в отсек. Водотушение пожара или иной налив воды также приводит к появлению отсеков второй категории. Изменение плавучести при затоплении отсека второй категории аналогично изменению плавучести при затоплении отсека первой категории. Дополнительное изменение остойчивости определяется отрицательным влиянием свободной поверхности.

Отсек третьей категории, свободно сообщающийся с забортной водой, возникает обычно при навале, посадке на грунт или при аварии забортной арматуры. При затоплении отсека третьей категории количество влившейся воды изменяется в процессе изменения осадки, крена и дифферента поврежденного судна. При этом весь отсек исключается из запаса плавучести, так как вода может беспрепятственно заполнять надводный объем отсека. Изменение начальной остойчивости определяется влиянием геометрии и координат ЦТ потерянной площади ватерлинии. Вместе с тем затопление отсека третьей категории, как правило, неприводит к отрицательной начальной остойчивости, поскольку ее уменьшение из-за потери площади действующей ватерлинии частично компенсируется приемом больших масс воды ниже ватерлинии. Исключение составляют широкие суда (B/d > 3,5).

Аварийное затопление отсека четвертой категории может возникнуть при поступлении воды через низкорасположенное повреждение при герметичности отсека. При затоплении герметичного отсека четвертой категории потеря запаса плавучести определяется количеством влившейся воды, а потеря остойчивости будет промежуточной между потерями остойчивости при затоплении аналогичных отсеков второй и третьей категорий при равных объемах влившейся воды.

Таким образом, при равных объемах влившейся воды наименее опасным будет отсек первой категории, затопление которого соответствует приему твердого груза, а наиболее опасным - отсек третьей категории. В то же время отсеки второй категории представляют значительную опасность, особенно при многоярусном затоплении в пределах одного автономного отсека, когда отрицательное влияние свободной поверхности, кратное числу затопленных палуб, может привести к отрицательной начальной остойчивости. При симметричном относительно ДП затоплении высокорасположенные отсеки второй категории с точки зрения потери остойчивости более опасны, чем отсеки третьей категории с тем же объемом влившейся воды, так как у них при той же свободной поверхности положительное блияние веса влившейся воды будет меньше (рис. 4).

Для отсеков второй, третьей и четвертой категорий при рассмотрении отрицательного влияния свободных поверхностей воды необходимо учитывать изменение не только начальной остойчивости судна, но и остойчивости на больших углах крена. Для этой цели вводятся понятия действенной и недейственной потерь остойчивости (см. рис. 4).

Рис. 4. Влияние свободной поверхности на остойчивость на больших углах крена: а - действенная потеря остойчивости; б, в - недейственные потери остойчивости

Важно, что появление восстанавливающего момента – это только реакция судна на появление крена или дифферента, то есть на изменение симметрии формы его подводного объема. При всех свободных наклонениях, при которых на судно извне действуют только внешние моменты (а не изолированные силы), судно только наклоняется (поворачивается), но не получает линейного перемещения (дрейфа или погружения). Иными словами, крен и дифферент судна – это результат совместного воздействия кренящих и восстанавливающих моментов. Без внешних моментов симметричное по форме корпуса и симметрично загруженное судно (с центром тяжести в диаметральной плоскости) плавает по поверхности воды в прямом положении.

Такова физическая картина, рассматриваемая в разделе теории остойчивости, называемом статической остойчивостью.

При прочих условиях, когда процесс наклонения рассматривается протекающим во времени, а внешний кренящий и восстанавливающий моменты изменяются по величине (и во времени) следует учитывать инерцию самого судна и окружающей жидкости. Этот круг вопросов составляет предмет динамической остойчивости .

Таким образом, статическая остойчивость изучает равновесные состояния судна под действием постоянных внешних моментов, и условия этого равновесия, а динамическая остойчивость занимается комплексом проблем, включая опрокидывание судна в реальных условиях его эксплуатации.

Если рассматривать наклонения в продольной (диаметральной) и в поперечной (в плоскости миделя) плоскостях, то можно говорить о продольной и поперечной остойчивости судна .

Теория продольной остойчивости позволяет рассчитать и предсказать дифферент судна и его посадку на тихой воде, что очень важно для экипажа при решении проблем загрузки судна, обеспечения прочности, определения количества груза на судне, безопасной его посадки, заливаемости, слемминга и т.д.

Теория поперечной остойчивости позволяет судоводителю

-оценивать уровень безопасности мореплавания,

-планировать и осуществлять действия по распределению грузов и запасов на судне,

-выполнять необходимые расчеты по методикам контроля остойчивости Регистра судоходства и ИМО,

-обосновывать те или иные действия по изменению загрузки судна.

Кроме того, существует условное методическое разделение остойчивости на начальную остойчивость и остойчивость при больших наклонениях .

В первом случае удается за счет введения упрощающих предположений получить несложные расчетные формулы для некоторых важных величин, а во втором – применять графоаналитические методы при невозможности применения простых формул начальной остойчивости.

Читайте также: