Теоретические основы управления судном. Силы, действующие на корпус судна Маневренных характеристиках судна

Воздействие ветра и течения на судно вызывает основную нагрузку на якорную цепь при стоянке и определяет статический момент сопротивления на валу электродвигателя в процессе съемки с якоря, когда судно подтягивается к месту заложения якоря.

На стоянке при совпадении по направлению ветра и течения возникает наибольшее воздействие внешних сил на судно и обобщенная сила для винтовых судов определяется арифметической суммой трех составляющих

F’ = FB + F’T + F’Г

где FB - сила ветрового воздействия на надводную часть судна;

F’T – сила течения действующая на подводную часть судна;

F’Г - сила течения действующая на неподвижные винты.

Сила ветрового воздействия на надводную часть судна FB зависит от скорости и направления ветра, формы надводной части корпуса, размеров и расположения надстроек. Расчетное значение усилия от ветра можно определить по формуле, Н

FB = Кн ∙ рв ∙ Sн

где Кн = 0,5 ÷ 0,8 – коэффициент обтекания надводной части корпуса

рв = ρV2 / 2 – давление ветра, Па;

ρ = 1,29 – плотность воздуха, кг/м3;

V – скорость ветра, м/с

рв =1,29*102/2=64,5Па

Площадь проекции надводной части судна на миделевое сечение, м2:

B – ширина судна, м;

H – высота борта, м;

T – осадка, м;

b, h – соответственно ширина и высота судовых надстроек, м.

Sн=11,6*(3,5-2,5)+11*2,5+10,5*5=91,6 м2

FB=0,5*64,5*91,6=2954,1 Н

Сопротивление корпуса, обусловленное течением, учитывается только сопротивлением трения, так как все другие виды сопротивления (волновое, вихревое) практически отсутствуют вследствие малой скорости течения, Н

(1)

где КТ = 1,4 – коэффициент трения;

Sсм = L∙(δ∙B + 1,7∙T)

– площадь смачиваемой поверхности судна, м2

Здесь δ = 0,75 ÷ 0,85 – коэффициент полноты водоизмещения;

L, B, T – главные размерения судна, м;

Sсм=78*(0,84*11,6+1,7*2,5)=1055,34 м2

VT – скорость течения воды, м/с.(1,38м/с)

F’T=1,4*1055,34*1,381,83=2663,7 Н

(2)

где ZГ – число гребных винтов;

CГ = 200 ÷ 300 – параметр, увеличивающийся с возрастанием дискового отношения гребного винта, кг/м3;

DВ – наружный диаметр гребного винта (насадки), м.

F’Г=2*200*1,52*1,382=1713,96 Н

F’=2954,1+2663,7+1713,96=7331,96 Н

Биогаз
Представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения. Биогаз относится к топливам, получаемым из местного сырья. Хотя потенциальных источников для его производства достаточно много, на практике круг их сужается вследствие географических, к...

Определение приводных усилий в дисковом тормозном механизме
Рисунок 3.2 - Расчетная схема дискового тормоза r1 - внутренний радиус тормозного диска, м; r2 - наружный радиус тормозного диска, м; rср - средний радиус рабочей поверхности, м; dрц - диаметр рабочего цилиндра, м. Тормозные накладки выполнены в форме кольцевого сектора. Принимаем Момент трения дискового тормоза с кольцевой накладкой, Н...

Расчёт на отрыв гребня
Рисунок 8 – К расчету замка на прочность. Считаем, что лопатки расположены параллельно, т. е. b=0°. Rц.т.об. – радиус центра тяжести обода. Рц.об. – центробежная сила, действующая на обод. σраст. – растягивающее напряжение, действующее на гребень. Rц.т.об. = 0,296 м. Вывод: Рассчитанные значения напряжений смятия и растяжения не пре...

ИНЕРЦИОННО-ТОРМОЗНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДНА

Силы и моменты, действующие на судно.

Система уравнений движения судна в

Горизонтальной плоскости.

Маневренные характеристики судна.

Требования к содержанию информации о

Маневренных характеристиках судна.

Общие сведения об инерционно-тормозных

Свойствах судна.

7. Особенности реверсирования различных видов

Движительных установок судов.

Торможение судна.

Судно как объект управления.

Транспортное морское судно совершает движение на границе двух сред: воды и воздуха, испытывая при этом гидродинамические и аэродинамические воздействия.

Для достижения заданных параметров движения, судном необходимо управлять. В этом смысле судно является управляемой системой . Каждая управляемая система состоит из трех частей: объекта управления, средства управления и управляющего устройства (автомата или человека)

Управление – это такая организация процесса, которая обеспечивает достижение определенной цели, соответствующей задаче управления.

При плавании судна в открытом море, задача управления заключается в обеспечении его перехода из одной точки в другую по прямолинейной траектории, удерживая заданный курс и периодически корректируя его после получения обсерваций. В этом случае курс является управляемой координатой, а процесс поддержания его постоянного значения является целью управления.

Мгновенное значение ряда координат определяет состояние судна в данный момент. Такими координатами являются: курс, скорость, угол дрейфа, поперечное смещение относительно генерального курса и т.п. Они являются выходными координатами . В отличие от них координаты, являющиеся причинами управляемого движения, называются входными . Это угол перекладки руля и частота вращения гребного винта . При выборе значений входных координат, управляющее устройство (авторулевой, судоводитель), руководствуются значениями выходных координат. Такая связь между следствием и причиной называется обратной связью.

Рассмотренная управляемая система является замкнутой, т.к. в ней действует управляющее устройство (судоводитель). Если же управляющее устройство перестанет функционировать, то система становится разомкнутой и поведение объекта управления (судна) будет определяться тем состоянием, в котором зафиксированы средства управления (угол перекладки руля, частота и направление вращения гребного винта).

В дисциплине «Управление судном» изучаются задачи управления судном, движение которого происходит в непосредственной близости от препятствий, т.е. на расстояниях, сопоставимых с размерами самого объекта управления, что исключает возможность рассматривать его как точку (например, как в курсе «Навигация»).

Силы и моменты, действующие на судно

Все силы, действующие на судно, принято разделять на три группы: движущие, внешние и реактивные .

К движущим относят силы, создаваемые средствами управления для придания судну линейного и углового движения. К таким силам относятся: упор гребного винта, боковая сила руля, силы, создаваемые средствами активного управления (САУ) и т.п.

К внешним относятся силы давления ветра, волнения моря, течения. Эти силы в большинстве случаев создают помехи при маневрировании.

К реактивным относятся силы и моменты, возникающие в результате движения судна . Реактивные силы зависят от линейных и угловых скоростей судна. По своей природе реактивные силы и моменты разделяются на инерционные и неинерционные . Инерционные силы и моменты обусловлены инертностью судна и присоединенных масс жидкости. Эти силы возникают только при наличии ускорений – линейного, углового, центростремительного. Инерционная сила всегда направлена в сторону, противоположную ускорению . При равномерном прямолинейном движении судна инерционные силы не возникают.

Неинерционные силы и их моменты обусловлены вязкостью забортной воды, следовательно, являются гидродинамическими силами и моментами. При рассмотрении задач управляемости используется связанная с судном подвижная система координат с началом в его центре тяжести. Положительное направление осей: Х – в нос; Y – в сторону правого борта; Z – вниз. Положительный отсчет углов принимается по часовой стрелке, однако, с оговорками в отношении угла перекладки, угла дрейфа и курсового угла ветра.

За положительное направление перекладки руля принимают перекладку, вызывающую циркуляцию по часовой стрелке, т.е. перекладку на правый борт (перо руля разворачивается при этом против часовой стрелки).

За положительный угол дрейфа принимается такой, при котором поток воды набегает со стороны левого борта и, следовательно, создает положительную поперечную гидродинамическую силу на корпусе судна. Такой угол дрейфа возникает на правой циркуляции судна.

Общий случай движения судна описывается системой из трех дифференциальных уравнений: двух уравнений сил по продольной Х и поперечной Y осям и уравнением моментов вокруг вертикальной оси Z.

Прочность судна - способность его корпуса не разрушаться и не изменять своей формы под действием постоянных и временных сил

Силы, действующие на корпус плавающего судна

На корпус судна действуют временные и постоянные силы. К временным необходимо отнести силы, возникающие во время качки судна на взволнованной поверхности воды: силы инерции масс судна и силы сопротивления воды. К постоянным относятся статические силы, вес судна и давление воды на погруженную часть корпуса - силы поддержания. Силы, действующие на судно, плавающее на тихой воде, несмотря на равнодействующие их равенство, по длине корпуса распределяются неравномерно. Силы поддержания, распределяются по длине соответственно погруженному в воду объему корпуса и характеризуются формой строевой по шпангоутам. Силы же веса распределяются по длине корпуса в зависимости от расположения его элементов, таких, как мачты, переборки, механизмы, надстройки, установки, грузы и т. п. Получается так, что на одном участке по длине корпуса силы поддержания преобладают над силами веса, а на другом - наоборот.

Изгиб корпуса судна, вызванный неравномерным распределением действующих на него сил. 1 - кривая сил веса; 2 - кривая сил поддержания.
От неравномерного распределения по длине корпуса сил веса и сил поддержания возникает общий продольный изгиб корпуса судна. Максимального значения эти силы достигают тогда, когда судно идет курсом, перпендикулярным направлению волны, длина которой равна длине судна. При прохождении вершины волны у миделя, в средней части корпуса образуются избыточные силы поддержания с недостатком их в оконечностях.

От неравномерного распределения сил поддержания в этом случае получается перегиб корпуса (а). Через короткий промежуток времени судно переходит на подошву волны, при этом избыток сил поддержания перемещается к оконечностям, отчего возникает прогиб корпуса (б). Вследствие качки судна, возникшей на волнении, на корпус действуют силы инерции, оказывающие на него дополнительное воздействие, а во время плавания с большой скоростью против крупной встречной волны при ударе днищевой частью носовой оконечности о воду (явление слеминга) возникают дополнительно ударные или динамические нагрузки.

Понятие прочности судна

Прочностью судна называется способность его корпуса не изменять своей формы и не разрушаться под действием временных и постоянных сил. Различают общую и местную прочность судна.

Общей продольной прочностью корпуса судна называется его способность выдерживать действие внешних сил, приложенных по длине.

Общая прочность судна обеспечивается водонепроницаемой оболочкой, которой служит обшивка и верхняя палуба, настил других палуб, продольные переборки с подкрепляющими их конструкциями и всеми конструктивными связями, имеющими длину больше высоты борта.

Местной прочностью корпуса называется способность его отдельных конструкций противостоять дополнительному воздействию сил: главным образом давлению забортной воды и сосредоточенным нагрузкам.

Для обеспечения местной прочности отдельных конструкций предусматривают их специальное местное подкрепление.

Кроме прочности, конструкции судна должны обладать также устойчивостью, т. е. они не должны изменять своей формы под действием сжимающих усилий (например, не должно происходить выпучивания палуб, изгиба переборок и т. п.). Для обеспечения необходимой устойчивости конструкций на них устанавливают дополнительные ребра жесткости или другие какие-либо подкрепления.

Расчет общей прочности судна сводится к определению размеров его прочных связей и вычислению внутренних напряжений, возникающих в них под действием приложенных сил. Если возникающие напряжения не превосходят допускаемых для данного материала, то прочность судна обеспечена; если же -наоборот, то следует увеличить размеры связей и вновь произвести расчет прочности. Для такого расчета необходимо знать момент сопротивления поперечного сечения посредине длины корпуса судна.

В строительной механике корпус принимается как пустотелая составная балка сложной конструкции. Расчет такой балки сводится к вычислению момента сопротивления так называемого эквивалентного бруса, представляющего собой условную составную балку, отдельные части которой имеют площадь и расположение по высоте, аналогичные соответствующим элементам прочных связей корпуса, участвующим в обеспечении продольной прочности судна. Приближенно наименьшее значение момента сопротивления определяется по формуле

где η – коэффициент утилизации площади сечений, равный 0,5- 0,55;

F – площадь сечения продольных связей;

Н – высота борта судна. Внутренние напряжения бвн при изгибе балки, как известно, находят по формуле

где М – наибольший изгибающий момент по длине судна. Изгибающий момент зависит от водоизмещения и длины судна и выражается зависимостью

где k – коэффициент пропорциональности, изменяющийся в пределах от 20 до 40 в зависимости от типа судна.

Силы, действующие на судно в процессе управления и маневрирования.

Свойства крыла

Свойства крыла применительно к корпусу судна следующие. Корпус судна в подводной и надводной частях представляет удли­ненное тело, симметричное относительно ДП, т. е. подобен верти­кальному крылу симметричного профиля.

Теория крыла, рассматриваемая в гидромеханике судна, поз­воляет определить характер распределения аэро- и гидродина­мических воздействий на корпус при его движении на границе двух сред и найти величину, направление и точку приложения равнодействующих этих сил, а значит аэро- и гидродинамические моменты относительно вертикальной оси. Эти данные в сочетании с силами и моментами, приложенными к корпусу со стороны средств управления, определяют поступательное и угловое движе­ние судна данной массы.

Теоретические расчеты сил и моментов, возникающих на кор­пусе судна, сложны и трудоемки, поэтому не всегда могут исполь­зоваться при практическом маневрировании. Тем не менее, суще­ствуют общие закономерности, знание которых имеет большое значение для правильной оценки и предсказания поведения судна как объекта управления.

Для получения этих закономерностей рассмотрим основные свойства крыла применительно к корпусу судна.

Если крыло перемещается прямолинейно в потоке воды или воздуха под некоторым углом атаки, то, помимо силы лобового сопротивления, направленной противоположно движению, возни­кает также подъемная сила, направленная перпендикулярно набе­гающему потоку. Величина подъемной силы в первом приближе­нии пропорциональна углу атаки. Она может существенно превышать силу лобового сопротивления, в связи с чем равнодей­ствующая этих сил не совпадает с направлением потока, а откло­нена в сторону траверзного направления.

Точка приложения равнодействующей силы смещена по ДП от центра площади крыла навстречу потоку. Величина этого смещения (плечо поперечной проекции гидродинамической си­лы) тем больше, чем острее угол атаки. При углах атаки, близких к 90°, плечо стремится к нулю, т. е. точка приложения приближа­ется к центру площади; для надводной части - к центру парус­ности (ЦП), для подводной - к центру площади проекции по­груженной части на ДП, называемому центром бокового сопротивления (ЦБС).

Применительно к подводной части корпуса углом атаки явля­ется угол дрейфа, а к надводной - курсовой угол кажущегося ветра.

При изучении вопросов управления судном удобнее рассматри­вать вместо сил, связанных с направлением движения, проекции их равнодействующей на судовые оси - продольную X и попе­речную Y .

Рис. 4.1. Гидродинамическая сила R , приложенная к корпусу судна и ее проекции на оси X и Y

На рис. 4.1 в качестве примера показаны гидродинамическая сила R и ее составляющие (подъемная R под и лобового сопротивле­ния Я лоб ), а также проекции силы R на судовые оси (поперечная R y и продольная R x ). Очевидно, что поперечная гидродинамическая сила R y создает относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести (ЦТ) судна, момент R y l R .

Отметим, что ЦБС располагается всегда вблизи ЦТ, а положе­ние ЦП зависит от архитектуры надводной части и от дифферента судна.

Силы и моменты, действующие на судно в процессе управ­ления.

Все силы, действующие на судно по принятой в настоящее время классификации, разделяются на три группы: движущие, внешние и реактивные.

К движущим относят силы, создаваемые средствами управле­ния с целью придания судну требуемого линейного и углового движения. К таким силам относятся упор гребного винта, боковая сила руля, силы, создаваемые САУ, и т. п.

К внешним относятся силы давления ветра, волнения моря, и течения. Эти силы, обусловленные внешними источниками энергии, в большинстве случаев создают помехи при маневри­ровании.

К реактивным относятся силы и моменты, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внеш­них сил. Реактивные силы зависят от линейных и угловых скоростей.

По своей природе реактивные силы и моменты разделяются на инерционные и неинерционные.

Инерционные силы и моменты обусловлены инертностью судна и присоединенных масс жидкости. Эти силы возникают только при наличии ускорений - линейного, углового, центростреми­тельного.

Инерционная сила всегда направлена в сторону, противополож­ную ускорению. При равномерном прямолинейном движении суд­на инерционные силы не возникают.

Неинерционные силы и их моменты обусловлены вязкостью за­бортной воды, следовательно, являются гидродинамическими си­лами и моментами. При рассмотрении задач управляемости обыч­но используется связанная с судном подвижная система координат с началом в ц. т. Положительное направление осей: X - в нос; Y - в сторону правого борта; Z - вниз. Положительный отсчет углов принимается по часовой стрел­ке, однако, с оговорками в отношении угла перекладки руля, угла дрейфа и курсового угла ветра.

За положительное направление перекладки руля принимают пе­рекладку, вызывающую циркуляцию по часовой стрелке, т. е. пе­рекладку на правый борт (перо руля при этом разворачивается против часовой стрелки).

За положительный угол дрейфа принимается такой, при кото­ром поток воды набегает со стороны левого борта и, следователь­но, создает положительную поперечную гидродинамическую силу на корпусе. Такой угол дрейфа возникает на правой циркуляции судна.

Инерционные силы и моменты

При прямолинейном и криволинейном движении судна или со­става к силам упора движителей, сопротивления движению и силам, возникающим на корпусе и руле, может при­соединиться еще и сила инерции.

В соответствии с законами механики (законами И. Ньютона) инерционные силы могут быть определены так:

сила инерции при поступательном движении

(4.1)

центробежная составляющая силы инерции при установившем­ся криволинейном движении

(4.2)

В последних формулах:

-масса тела (судна или состава), кг;

- ускорение, м/сек 2 ;

- радиус кривизны траектории движения, м;

- скорость движения тела, м/сек.

Уравнение (4.2) может быть переписано еще и так:

, (4.3)

где -угловая скорость вращения судна, рад/сек.

При неустановившемся движении судна на него со стороны жидкости будут действовать следующие инерционные силы, отнесенные к осям X и Y .

(4,4)

а в случае неустановившегося вращательного движения - еще и инерционный момент относительно вертикальной оси, проходящей через ц. т.,

(4.5)

В формулах (4,4) и (4.,5):

, - составляющие скорости движения по осям

,- присоединенные массы жидкости при движении вдоль осей ОХ и OY ;

- коэффициент присоединенного момента инерции при вращении судна около вертикальной оси (за счет присоединенной мас­сы жидкости);

-угловая скорость вращения судна относительно этой оси.

При криволинейном движении судна появится центростреми­тельное ускорение, которое вызовет появление составляющих цент­робежной силы инерции жидкости. Эти составляющие определят­ся в соответствии с выражением (4.3) так:

(4.6)

Само судно при криволинейном движении также обладает инерцией. При этом инерционный момент, действующий на судно, определится следующим образом:

(4.7)

С учетом всех составляющих инерционных сил рассмотренных выше запишем

(4.8)

Влияние руля на управляемость судна

В процессе движения судна на переднем ходу прямолинейным курсом (рис.4.2 положение ) на него будут действовать движущая сила
переднего хода и сила сопротивления воды, которая на­правлена на подводную часть кор­пуса вдоль ДП (симметрично по бор­там судна).

При перекладке руля от ДП на угол встречный поток воды соз­дает гидродинамическое давление на перо руля, которое раскладывает­ся на две составляющие; - ру­левую силу и - силу торможения.

Рассмотрим действие рулевой силы на судно. Для этого приложим в ц. т. судна две противоположно направленные силы и , равные и параллельные силе . Силы и образуют пару сил, а расстоя­ние от ц. т. судна до центра пера руля будет плечом этой пары. Образуется поворачивающий момент руля
, который вызывает вращательное движение судна.

Значения сил и моментов для изолированного ру­ля, могут быть выражены через безразмерные коэффициенты следующим образом:

(4.9)

(4.10)

(4.11)

где
- безразмерный коэффициент продольной силы на руле;
- безразмерный коэффициент поперечной силы на руле;
- безразмерный коэффициент момента на руле; - плотность воды, кг/м 3 ; - площадь пера руля, м 2 ; - скорость натекания воды на руль, м/с; - средняя ширина руля, м;
- момент на руле; - поперечная сила на руле; - продольная сила на руле.

Рулевая сила реального судна за­висит не только от площади пера руля, угла перекладки и скорости об­текания его окружающим потоком, но также и от конструктивных осо­бенностей корпуса судна, его дви­жителей и рулевого устройства.

Оптимальным утлом перекладки руля относительно диаметральной плоскости судна обычно является угол, равный 40-45°. При даль­нейшем увеличении угла перекладки возрастает сила сопротивления , которая на руле оказывает тормо­зящее воздействие и уменьшает ско­рость движения судна.

Значение плеча зависит от рас­положения ц. т. судна по длине корпуса. Чем больше расстояние от кормы судна до ц. т., тем боль­ше будет плечо. От значения , в свою очередь, зависит значение пово­рачивающего момента
. При чрез­мерно большом поворачивающем мо­менте судно будет излишне чувстви­тельно к перекладке руля и неустой­чиво на курсе.

При перекладке руля увеличива­ется сопротивление воды и умень­шается скорость движения, поэтому на прямолинейных курсах следует избегать частых перекладок руля. При движении по прямой и углах перекладки руля на 5° падение ско­рости составляет около 2%, на 10°-3%. Опытные рулевые при дви­жении постоянным курсом в среднем отклоняют руль не более чем на 0,8-1,0°, и потери скорости при этом не превышают 0,5-0,6%.

Перекладка руля вызывает смеще­ние (дрейф) судна в сторону, про­тивоположную повороту из-за силы , при этом наибольшая величина дрейфа наблюдается в кормовой ча­сти судна. Это обстоятельство необ­ходимо учитывать при выполнении поворотов вблизи причалов, других судов, отмелей и т. п.

Рис.4.2 Действие руля при движении судна передним ходом.

В процессе движения по криволи­нейной траектории на корпусе судна происходит перераспределение гид­родинамических сил сопротивления воды вследствие того, что струи воды набегают на наружный борт под некоторым углом к корпусу, образуя силы , которые принято называть позиционными. При этом дав­ление воды на наружный борт увеличивается, а равнодействующая позиционных сил (см. рис. 4., положение) будет направлена под углом к ДП. Ее можно раз­ложить на две сос­тавляющие: и . Точка прило­жения силы находится в центре давления (ц. д.) подводной части корпуса и смещается в сторону набегающего потока тем больше, чем больше скорость движения и угол натекания струй на корпус судна. Как показывают модельные испы­тания, она находится в носовой час­ти судна примерно на расстоянии около 1/4 длины корпуса от фор­штевня. Для анализа воздействия позиционных сил на судно приложим к его ц. т. две противоположно направленные силы и , равные и параллельные силе . Силы и с плечом образуют пару сил, поворачивающий момент которой
называется позицион­ным моментом.

Значение позиционного момента зависит от формы и габаритов кор­пуса судна, скорости его движения и угловой скорости поворота. Сле­довательно, при движении судна по криволинейной траектории на него будет действовать суммарный поворачивающий момент, равный моменту руля и позицион­ному моменту, т. е.
.

Значения гидродинамических сил и моментов, выраженных через безразмерные коэффициенты приведены ниже.

(4.12)

(4.13)

(4.14)

где
- безразмерный коэффициент продольной гидродинамической силы на корпусе судна;
- безразмерный коэффициент поперечной силы на корпусе судна;
- безразмерный коэффициент гидродинамического момента на корпусе судна; - плотность воды, кг/м 3 ; - погруженная площадь диаметрального батокса, м 2 ; - скорость натекания воды на корпус судна, м/с; - длина судна, м;
- гидродинамический момент на корпусе судна; - составляющая гидродинамической силы на корпусе судна; - продольная составляющая гидродинамической силы на корпусе судна.

После преодоления сил инерции прямолинейного движения судно на­чинает двигаться по криволиней­ной траектории. В это время на суд­но, как на всякое тело, движуще­еся по кривой, будет действовать центробежная сила (см. рис4.2, положение
), приложенная в ц. т. судна и направленная в сто­рону, противоположную повороту. Величина центробежной силы прямо пропорциональна массе судна
, квадрату скорости поступательного движения и обратно пропорциональ­на радиусу кривизны траектории т. е.
.

Вращательное движение судна вы­зывает появление статических сил сопротивления воды и (см. рис. 4, положение IV ), вследствие чего образуется поворачивающий момент
, который носит название демпфирующего момента. Он направлен в сторону, противо­положную направлению вращения судна, и препятствует повороту. Наи­большего значения демпфирующий момент достигает при развороте суд­на на одном месте, чем и объяс­няется длительное время разворота.

Таким образом, при движении суд­на передним ходом с отклонен­ным рулем по криволинейной траек­тории на него будет действовать общий поворачивающий

момент, равный алгебраической сумме моментов руля, позиционного и демпфирующего, т. е.

Силы и моменты, действующие на судно. При анализе сил, действующих на судно, оно рассматривается как вертикальное крыло симметричного профиля относительно диаметральной плоскости (ДП). Применительно к судну, основные свойства крыла формулируются следующимперемещается прямолинейно в потоке воды или воздуха под некоторым углом атаки, то помимо силы Если судно образом: лобового сопротивления, направленной противоположно движению, возникает подъемная сила, направленная перпендикулярно набегающему потоку. В результате равнодействующая этих сил не совпадает с направлением потока. Величина равнодействующей сил пропорциональна углу атаки и квадрату скорости набегающего потока; Точка приложения равнодействующей силы смещена по ДП от центра площади крыла навстречу потоку. Величина этого смещения тем больше, чем острее угол атаки. При углах атаки близких к 90 градусам, точка приложения равнодействующей силы совпадает с центром парусности (для надводной части судна) и центром бокового сопротивления (для подводной части); Применительно к подводной части корпуса судна: угол атаки является углом дрейфа, а для надводной части курсовым углом (КУ) кажущегося ветра; Центр бокового сопротивления обычно совпадает с центром тяжести судна, а положение центра парусности зависит от расположения надстроек.

Силы и моменты, действующие на судно. Рис. 1. 3. Воздействие внешних сил на корпус судна

МАНЕВРЕННОСТЬ СУДНА 1. 1. Общие понятия и определения Маневрирование – изменение направления движения судна и его скорости с помощью руля, движителей, подруливающих устройств в целях обеспечения безопасности мореплавания или решения эксплуатационных задач (швартовка, постановка на якорь, проход узкостей и т. п.). Маневренность определяется такими качествами судна, как скорость, ходкость, управляемость, устойчивость на курсе и поворотливость, а также инерционными характеристиками судна. Маневренность судна не является постоянной. Изменение ее происходит под влиянием различных факторов (загрузки, крена, дифферента, ветра и т. д.), которые надлежит учитывать судоводителям при управлении судном. Под ходкостью понимается способность судна преодолевать сопротивление окружающей среды и перемещаться с требуемой скоростью при наименьшей затрате мощности главных машин. Скорость судна - одна из важнейших характеристик маневренных элементов судна. Скоростью судна считается та скорость, с которой оно перемещается относительно воды. Управляемость - способность судна двигаться по заданной траектории, т. е. удерживать заданное направление движения или изменять его под действием управляющих устройств. Главными управляющими устройствами на судне являются средства управления рулем, средства управления движителем, средства активного управления. Управляемость объединяет два свойства: устойчивость на курсе и поворотливость. Устойчивость на курсе - это способность судна сохранять направление прямолинейного движения. Поворотливость - способность судна изменять направление движения и описывать траекторию заданной кривизны. Устойчивость на курсе и поворотливость находятся в противоречии друг с другом. Чем более устойчиво прямолинейное движение судна, тем труднее его повернуть, т. е. ухудшается поворотливость. Но с другой стороны, улучшение поворотливости судна затрудняет его движение в постоянном направлении, в этом случае удержание судна на курсе связано с напряженной работой рулевого или авторулевого и частой перекладкой руля. При проектировании судов стремятся найти оптимальное сочетание этих свойств. Управляемость судна в основном определяется взаимным расположением трех точек: центра тяжести (ЦТ), центра приложения всех сил сопротивления движению и центра приложения движущих сил (рис. 1. 4). Рис. 1. 4. Расположение центра вращения судна

МАНЕВРЕННОСТЬ СУДНА Если центр тяжести при определенном состоянии загрузки судна остается неподвижным, то центр приложения сил сопротивления не имеет постоянного местоположения. В зависимости от движения судна суммарный вектор сил сопротивления водной и воздушной сред изменяется, и точка его приложения к судну обычно перемещается вдоль диаметральной плоскости. При поворотах судно разворачивается вокруг вертикальной оси (центра вращения - Р), проходящей через центр сил сопротивления. Если ЦТ располагается впереди центра сил сопротивления, то судно устойчиво на курсе и наоборот, если ЦТ располагается позади центра сил сопротивления, то судно неустойчиво на курсе и более подвержено рысканию. Расположение центра приложения движущих сил зависит от режима работы движителей, положения руля, воздействия ветра, течения и т. п. В зависимости от расположения указанных трех точек при движении судна могут произойти сопутствующие явления: крен, дифферент, поперечное смещение. В результате воздействия обтекающих масс воды и ветра на корпус, винт и руль, даже при спокойном море и слабом ветре, судно не остается постоянно на заданном курсе, а отклоняется от него. Отклонение судна от курса при прямом положении руля называется рыскливостью. Амплитуда рыскания судна в тихую погоду небольшая. Поэтому для удержания его на курсе требуется незначительная перекладка руля вправо или влево. При сильном ветре и волнении устойчивость судна на курсе значительно ухудшается. На рыскливость судна большое влияние оказывает расположение надстройки. На тех судах, где надстройки на корме, рыскливость увеличивается, так как почти всегда корма идет «под ветер» , а нос - «на ветер» . Если надстройка в носу, то судно уклоняется «от ветра» . Уклонение судна под ветер называется увальчивостью. Это свойство так же, как рыскливость, является недостатком судна, его всегда приходится учитывать при осуществлении различных маневров, особенно в стесненных условиях.

ЦИРКУЛЯЦИЯ Циркуляцией называют траекторию, описываемую центром тяжести судна, при движении с отклоненным на постоянный угол рулем. Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Угол между вектором линейной скорости судна и диаметральной плоскостью называют углом дрейфа (β). Эти характеристики не остаются постоянными на протяжении всего маневра. Циркуляцию принято разбивать на три периода: маневренный, эволюционный и установившийся. Маневренный период − период, в течение которого происходит перекладка руля на определенный угол. С момента начала перекладки руля судно начинает дрейфовать в сторону, противоположную перекладке руля, и одновременно начинает разворачиваться в сторону перекладки руля. В этот период траектория движения центра тяжести судна из прямолинейной превращается в криволинейную, происходит падение скорости движения судна. Эволюционный период – период, начинающийся с момента окончания перекладки руля и продолжающийся до момента окончания изменения угла дрейфа, линейной и угловой скоростей. Этот период характеризуется дальнейшим снижением скорости (до 30 – 50 %), изменением крена на внешний борт до 100 и резким выносом кормы на внешнюю сторону. Период установившийся циркуляции – период, начинающийся по окончании эволюционного, характеризуется равновесием действующих на судно сил: упора винта, гидродинамических сил на руле и корпусе, центробежной силы. Траектория движения центра тяжести (ЦТ) судна превращается в траекторию правильной окружности или близкой к ней. Геометрически траектория циркуляции характеризуется следующими элементами: Dо – диаметр установившейся циркуляции – расстояние между диаметральными плоскостями судна на двух последовательных курсах, отличающихся на 180*при установившемся движении; Dц – тактический диаметр циркуляции – расстояние между положениями диаметральной плоскости (ДП) судна до начала поворота и в момент изменения курса на 180*; l 1 – выдвиг – расстояние между положениями ЦТ судна перед выходом на циркуляцию до точки циркуляции, в которой курс судна изменяется на 90*; l 2 – прямое смещение – расстояние от первоначального положения ЦТ судна до положения его после поворота на 90*, измеренное по нормали к первоначальному направлению движения судна; l 3 – обратное смещение – наибольшее смещение ЦТ судна в результате дрейфа в направлении, обратном стороне перекладки руля (обратное смещение обычно не превышает ширины судна В, а на некоторых судах отсутствует совсем); Тц – период циркуляции – время поворота судна на 360*.

Влияние различных факторов на поворотливость судна Конструктивные факторы Отношение длины к ширине судна (L/B). Чем больше это отношение, тем хуже поворотливость судна. Это связано с относительным увеличением сил сопротивления боковому перемещению судна. Поэтому широкие и короткие суда обладают лучшей поворотливостью, чем длинные и узкие. Отношение осадки к длине судна (T/L). При увеличении отношения поворотливость судна несколько ухудшается, т. е. судно в полном грузу будет обладать худшей поворотливостью, чем в балласте. Отношение ширины к осадке (В/Т). Рост этого отношения приводит к существенному улучшению поворотливости. Суда широкие и мелкосидящие более поворотливы, чем суда с большой осадкой и узкие. Коэффициент общей полноты (δ). С увеличением коэффициента δ поворотливость улучшается, т. е. чем полнее обводы судна, тем лучше его поворотливость. Форма кормы (площадь кормового дейдвуда и полнота кормы). Особенно сильное влияние на поворотливость судна оказывает площадь кормового дейдвуда. Поэтому даже небольшое ее увеличение приводит к резкому возрастанию диаметра циркуляции при всех углах перекладки руля. Увеличение полноты кормы способствует улучшению поворотливости судна. Форма носовых образований судна значительно меньше влияет на поворотливость, чем форма кормы. Как правило, влияние формы носа проявляется только при наличии значительного носового подзора (например, у ледоколов), что обусловливает некоторое возрастание диаметра циркуляции судна. Размеры и конфигурация руля. Увеличение площади руля, так же как и другие изменения формы руля, оказывает двоякое влияние на поворотливость. Практические расчеты показывают, что увеличение площади руля ведет к уменьшению диаметра циркуляции при больших углах перекладки руля и к увеличению его при малых углах перекладки. Размещение руля относительно винтов значительно влияет на поворотливость судна. Расположение руля в винтовой струе благодаря увеличению скорости его обтекания способствует росту эффективности руля и отражается на поворотливости судна так же, как увеличение площади руля. Влияние винтовой струи сказывается тем Рис. 1. 17. Влияние угла перекладки руля на поворотливость судна: больше, чем большая площадь руля попадает в поток а – угол перекладки до 45*, б – угол перекладки более 45* от винта. При перекладке руля более чем на 45* эффективность его действия на поворотливость судна резко уменьшается (рис. 1. 17).

Влияние различных факторов на поворотливость судна Скорость судна. Исходная скорость хода V, с которой судно совершает прямолинейное судна движение до перекладки руля, влияет на величины выдвига, прямого и обратного смещений. При ветре управляемость существенно зависит от скорости судна: чем скорость меньше, тем большее влияние ветра на управляемость. Волнение моря способствует рыскливости судна. Углы рыскания зависят от курсового угла волны и увеличиваются по мере возрастания волнения моря. Особенно неблагоприятным плавание будет при наличии ветровых волн и зыби от курсовых углов 120°− 180° при скорости судна, близкой к скорости распространения волн. В этом случае амплитуда рыскания может составлять до 30− 50°, а перекладка руля на попутной волне становится малоэффективной. Элементы посадки судна Дифферент. Увеличение дифферента на корму улучшает устойчивость судна на курсе и ухудшает его поворотливость. С другой стороны, дифферент на нос резко ухудшает устойчивость на курсе - судно становится рыскливым, что усложняет маневрирование в стесненных условиях. Поэтому судно стараются загрузить так, чтобы оно в течение рейса имело небольшой дифферент на корму. Крен судна нарушает симметричность обтекания корпуса. Площадь погруженной поверхности скулы накрененного борта становится больше соответствующей площади скулы приподнятого борта. В результате судно стремится уклониться в сторону, противоположную крену, т. е. в сторону наименьшего сопротивления.

Используемая литература. 1. 2. 3. Снопков В. И. Управление судном. / В. И. Снопков - Санкт. Петербург. : АНО НПО Профессионал, 2004. -536 с Шарлай Г. Н. Управление морским судном. / Шарлай Г. Н. Владивосток. : Мор. Гос. ун-т, 2009. -503 с. Лихачев А. В. Управление судном: Учебник для морских вузов. /Лихачев А. В. Спб. : Издательство Политехнического университета, 2004. 504 с. Подготовил Доцент кафедры УС и БЖД на море ХГМА К. Д. П. , К. Т. Н. Товстокорый О. Н.