Начальная остойчивость судна

Остойчивостью называется способность судна противодействовать силам, отклоняющим его от положения равновесия, и возвращаться в первоначальное положение равновесия после прекращения действия этих сил.

Полученные условия равновесия судна не являются достаточными для того, чтобы оно постоянно плавало в заданном положении относительно поверхности воды. Необходимо еще, чтобы равновесие судна было устойчивым. Свойство, которое в механике именуется устойчивостью равновесия, в теории судна принято называть остойчивостью. Таким образом, плавучесть обеспечивает условия положения равновесия судна с заданной посадкой, а остойчивость – сохранение этого положения.

Остойчивость судна меняется с увеличением угла наклонения и при некотором его значении полностью утрачивается. Поэтому представляется целесообразным исследование остойчивости судна на малых (теоретически бесконечно малых) отклонениях от положения равновесия с Θ = 0, Ψ = 0, а затем уже определять характеристики его остойчивости, их допустимые пределы при больших наклонениях.

Принято различать остойчивость судна при малых углах наклонения (начальную остойчивость) и остойчивость на больших углах наклонения.

При рассмотрении малых наклонений имеется возможность принять ряд допущений, позволяющих изучить начальную остойчивость судна в рамках линейной теории и получить простые математические зависимости ее характеристик. Остойчивость судна на больших углах наклонения изучается по уточненной нелинейной теории. Естественно, что свойство остойчивости судна единое и принятое разделение носит чисто методический характер.

При изучении остойчивости судна рассматривают его наклонения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях – поперечной и продольной. При наклонениях судна в поперечной плоскости, определяемых углами крена, изучают его поперечную остойчивость; при наклонениях в продольной плоскости, определяемых углами дифферента, изучают его продольную остойчивость.

Если наклонение судна происходит без значительных угловых ускорений (перекачивание жидких грузов, медленное поступление воды в отсек), то остойчивость называют статической.

В ряде случаев наклоняющие судно силы действуют внезапно, вызывая значительные угловые ускорения (шквал ветра, накат волны и т.п.). В таких случаях рассматривают динамическую остойчивость.

Остойчивость - очень важное мореходное свойство судна; вместе с плавучестью оно обеспечивает плавание судна в заданном положении относительно поверхности воды, необходимом для обеспечения хода и маневра. Уменьшение остойчивости судна может вызвать аварийный крен и дифферент, а полная потеря остойчивости - его опрокидывание.

Чтобы не допустить опасного уменьшения остойчивости судна все члены экипажа обязаны:

- всегда иметь четкое представление об остойчивости судна;

- знать причины, уменьшающие остойчивость;

- знать и уметь применять все средства и меры по поддержанию и восстановлению остойчивости.

Найдем условие, при соблюдении которого судно, плавающее в состоянии равновесия без крена и дифферента, будет обладать начальной остойчивостью. Полагаем, что грузы при наклонении судна не смещаются и ЦТ судна остается в точке, соответствующей исходному положению.

При наклонениях судна сила тяжести Р и силы плавучести γV образуют пару, момент которой определенным образом воздействует на судно. Характер этого воздействия зависит от взаимного расположения ЦТ и метацентра.

Рисунок 3.9 - Первый случай остойчивости судна

Возможны три характерных случая состояния судна для которых воздействие на него момента сил Р и γV качественно различно. Рассмотрим их на примере поперечных наклонений.

1-й случай (рисунок 3.9) - метацентр располагается выше ЦТ, т.е. z_m > z_g. В данном случае возможно различное расположение центра величины относительно центра тяжести.

1) В начальном положении центр величины (точка С₀), располагается ниже центра тяжести (точка G) (рисунок 3.9, а), но при наклонении центр величины смещается в сторону наклонения настолько сильно, что метацентр (точка m) располагается выше центра тяжести судна. Момент сил Р и γV стремится вернуть судно в исходное положение равновесия, и поэтому оно остойчиво. Подобное расположение точек m, G и С₀ встречается на большинстве судов.

2) В начальном положении центр величины (точка С₀), располагается выше центра тяжести (точка G) (рисунок 3.9,б). При наклонении судна возникающий момент сил Р и γV выпрямляет судно, и поэтому оно остойчиво. В данном случае, независимо от размеров смещения центра величины при наклонении, пара сил всегда стремится выпрямить судно. Это объясняется тем, что точка G лежит ниже точки С₀. Такое низкое положение центра тяжести обеспечивающая безусловную остойчивость на судах трудно осуществить конструктивно. Такое расположение центра тяжести можно встретить в частности, на парусных яхтах.

Рисунок 3.10 - Второй и третий случай остойчивости судна

2-й случай (рисунок 3.10,а) – метацентр располагается ниже ЦТ, т.е. z_m < z_g. В этом случае при наклонении судна момент сил Р и γV стремится еще больше отклонить судно от исходного положения равновесия, которое, следовательно, является неустойчивым. В этом случае наклонения судно имеет отрицательный восстанавливающий момент, т.е. оно не остойчиво.

3-й случай (рисунок 3.10,б) – метацентр совпадает с ЦТ, т.е. z_m = z_g. В этом случае при наклонении судна силы Р и γV продолжают действовать по одной вертикали, момент их равен нулю – судно и в новом положении будет находиться в состоянии равновесия. В механике – этот случай безразличного равновесия.

С точки зрения теории судна в соответствии с определением остойчивости судна судно в 1-м случае остойчиво, а во 2 и 3-м – не остойчиво.

Итак, условием начальной остойчивости судна является расположение метацентра выше ЦТ. Судно обладает поперечной остойчивостью, если z_m > z_g, (3.7)

и продольной остойчивостью, если z_м > z_g. (3.8)

Отсюда становится ясным физический смысл метацентра. Эта точка является пределом, до которого можно поднимать центр тяжести не лишая судно положительной начальной остойчивости.

Расстояние между метацентром и ЦТ судна при Ψ = Θ = 0 называют начальной метацентрической высотой или просто метацентрической высотой. Поперечной и продольной плоскости наклонения судна отвечают соответственно поперечная h и продольная H метацентрические высоты. Очевидно, что

h = z_m – z_g и H = z_м – z_g , (3.9)

или h = z_c + r – z_g и H = z_c + R – z_g, (3.10)

h = r – α и H = R – α, 3.11)

где α = z_g – z_c – возвышение ЦТ над ЦВ.

Как видно h и H различаются только метацентрическими радиусами, т.к. α является одной и той же величиной.

, поэтому H значительно больше h.

α = (1 %) R, поэтому на практике считают, что H = R.

Непотопляемость судна

Непотопляемостью называется способность судна после затопления части помещений сохранять достаточную плавучесть и остойчивость. Непотопляемость, в отличие от плавучести и остойчивости, не является самостоятельным мореходным качеством судна. Непотопляемостью можно назвать свойство судна сохранять свои мореходные качества при затоплении части водонепроницаемого объема корпуса, а теорию непотопляемости можно характеризовать как теорию плавучести и остойчивости поврежденного судна.

Судно, обладающее хорошей непотопляемостью, при затоплении одного или нескольких отсеков должно, прежде всего, оставаться на плаву и обладать достаточной остойчивостью, не допускающей его опрокидывания. Кроме того, судно не должно утрачивать ходкость, которая зависит от осадки, крена и дифферента. Увеличение осадки, значительный крен и дифферент повышают сопротивление воды движению судна и ухудшают эффективность работы винтов и судовых механизмов. Судно должно также сохранять управляемость, которая при исправном рулевом устройстве зависит от крена и дифферента.

Непотопляемость является одним из элементов живучести судна, поскольку потеря непотопляемости связана с тяжелейшими последствиями – гибелью судна и людей, поэтому ее обеспечение является одной из важнейших задач, как для судостроителей, так и для экипажа. На практике непотопляемость обеспечивается на всех этапах жизни судна: судостроителями на стадиях проектирования, постройки и ремонта судна; экипажем в процессе эксплуатации неповрежденного судна; экипажем непосредственно в аварийной ситуации. Из такого подразделения следует, что непотопляемость обеспечивается тремя комплексами мероприятий:

- конструктивными мероприятиями, которые проводятся при проектировании, постройке и ремонте судна;

- организационно-техническими мероприятиями, которые являются предупредительными и проводятся во время эксплуатации судна;

- мероприятиями по борьбе за непотопляемость после аварии, направленными на борьбу с поступлением воды, восстановление остойчивости и спрямление поврежденного судна.

Конструктивные мероприятия. Эти мероприятия осуществляются на стадиях проектирования и постройки судна и сводятся к назначению таких запасов плавучести и остойчивости, чтобы при затоплении заданного числа отсеков изменение посадки и остойчивости аварийного судна не выходило из минимально допустимых пределов. Наиболее эффективным средством для использования запаса плавучести при повреждении корпуса, является деление судна на отсеки водонепроницаемыми переборками и палубами. Действительно, если судно не имеет внутреннего подразделения на отсеки, то при наличии подводной пробоины корпус заполнится водой и судно не сможет использовать запас плавучести. Деление судов на отсеки производится в соответствии с частью V “ Правил классификации и постройки морских судов” Морского Регистра Судоходства. Ватерлиния неповрежденного судна, применяемая при делении на отсеки, положение которой фиксируется в судовой документации, называется грузовой ватерлинией деления на отсеки. Ватерлиния поврежденного судна после затопления одного или нескольких отеков называется аварийной ватерлинией. Судно утрачивает запас плавучести, если аварийная ватерлиния совпадает с предельной линией погружения – линией пересечения наружной поверхности настила палубы переборок с наружной поверхностью бортовой обшивки у борта. Наибольшая длина части судна, расположенной ниже предельной линии погружения представляет собой длиной деления судна на отсеки. Под палубой переборок понимают самую верхнюю палубу, до которой доводятся поперечные водонепроницаемые переборки по всей ширине судна.

Количество воды влившейся в поврежденный отсек судна определяется с помощью коэффициента проницаемости помещения μ – отношение объема, который может быть заполнен водой при затоплении отсека, к полному теоретическому объему помещения. Регламентируются следующие коэффициенты проницаемости:

- для помещений, занятых механизмами – 0,85;

- для помещений занятых грузами или запасами – 0,6;

- для жилых помещений и помещений, занятых грузами, имеющими высокую проницаемость (порожние контейнеры и др.) – 0,95;

- для пустых и балластных цистерн – 0,98.

Важной характеристикой непотопляемости судна является предельная длина затопления, под которой понимают наибольшую длину условного отсека после затопления которого, при коэффициенте проницаемости равном 0,80, при осадке соответствующей грузовой ватерлинии деления судна на отсеки и при отсутствии исходного дифферента, аварийная ватерлиния будет касаться предельной линии погружения.

Важным конструктивным мероприятием по обеспечению непотопляемости является создание прочных и водонепроницаемых закрытий (дверей, люков, горловин), установленных по контуру водонепроницаемого отсека, которые должны хорошо работать при крене, дифференте и морском волнении. Для всех дверей скользящего и навесного типа в водонепроницаемых переборках должны быть предусмотрены индикаторы, находящиеся на ходовом мостике и показывающие их положение. Водонепроницаемость и прочность судна должна быть обеспечена не только в подводной части, но и в надводной части корпуса, так как последняя определяет запас плавучести, расходуемый при повреждении.

Для активной борьбы экипажа за непотопляемость на судне также предусматривается:

- создание судовых систем (креновой, дифферентной, водоотливной, осушительной, перекачки жидких грузов, затопления, спускной и перепускной, балластировки);

- снабжение аварийным имуществом и материалами.

Такие закрытия, системы и механизмы должны иметь соответствующую маркировку, обеспечивающую их правильное использование с максимальной эффективностью. Места сосредоточения аварийных средств называются аварийными постами. Это могут быть специальные помещения или кладовые, ящики и щиты на палубе. К таким постам могут быть выведены устройства дистанционного пуска судовых систем.

Организационно-технические мероприятия. Организационно-технические мероприятия по обеспечению непотопляемости проводятся экипажем судна в процессе эксплуатации с целью предупреждения поступления воды в отсеки, а также сохранения посадки и остойчивости судна, предотвращающих его затопление или опрокидывание. К числу таких мероприятий относятся:

- правильная организация и систематическая подготовка экипажа к борьбе за непотопляемость;

- поддержание всех технических средств борьбы за непотопляемость, аварийного снабжения в состоянии, гарантирующем возможность немедленного их использования;

- систематическое наблюдение за состоянием всех корпусных конструкций в целях проверки их износа (коррозии), замена отдельных элементов конструкций при текущем или среднем ремонте в случае превышения установленных норм износа;

- планомерная окраска корпусных конструкций;

- устранение перекосов и провисание водонепроницаемых дверей, люков и иллюминаторов, систематическое их расхаживание и поддержание всех задраивающих устройств в исправном состоянии;

- контроль забортных отверстий, особенно при доковании судна;

- строгое соблюдение инструкции по приему и расходованию жидких топлива;

- раскрепление грузов по-походному и предотвращение их перемещения при качки (особенно поперек судна);

- компенсация потерь остойчивости, вызванных обледенением судна, путем приема жидкого балласта и проведением мероприятий по удалению льда (скалывание, смывание горячей водой);

Борьба за непотопляемость. Под борьбой за непотопляемость понимается совокупность действий экипажа, направленных на поддержание и возможное восстановление запасов плавучести и остойчивости судна, а также на приведение его в положение, обеспечивающее ход и управляемость.

Борьба за непотопляемость осуществляется немедленно после получения судном повреждения и складывается из борьбы с поступающей водой, оценки его состояния и мероприятий по восстановлению остойчивости и спрямлению судна.

Борьба с поступающей водой состоит в обнаружении поступления воды внутрь судна, осуществлении возможных мероприятий по предотвращению или ограничению поступления и дальнейшего распространения забортной воды по судну, а также по ее удалению. При этом принимаются меры по восстановлению непроницаемости бортов, переборок, платформ, обеспечению герметичности аварийных отсеков. Малые пробоины, разошедшиеся швы, трещины заделывают деревянными клиньями и пробками (чопами) (рисунок 3.11). На пробоины большего размера ставят жесткий металлический пластырь или мат, придавленный щитком

Рисунок 3.11 - Деревянные клинья и пробки: Рисунок 3.12 - Прижимные болты:

а,б,в – клинья; г, д – пробки а – с откидной скобой; б, в – крючковые.

. Для их крепления в комплект аварийного имущества входят специальные болты и струбцины, распорные брусья и клинья (рисунок 3.12 3.15). Заделка пробоины описанными способами является временной мерой. После откачки воды окончательное восстановление герметичности осуществляется путем бетонирования пробоины - постановки цементного ящика. Успешность заделки пробоины малого размера зависит от места их расположения (надводные или подводные), от доступности пробоины изнутри судна, от ее формы и расположения краев разорванного металла (внутрь корпуса или наружу).

Рисунок 3.13 - Металлические пластыри:

а – клапанный; б – с прижимным болтом; 1 – коробчатый корпус; 2 – ребра жесткости; 3 – гнездо для раздвижного упора; 4 – патрубки с заглушками для стержней крючковых болтов; 5 – клапан; 6 – рымы для крепления подкильных концов; 7,8 – прижимной болт с откидной скобой; 9 – гайка с ручками; 10 – прижимной диск.

Рисунок 3.14 - Металлический раздвижной упор:

1,8 – подпятники; 2,3 – гайки с рукоятками; 4 – штырь; 5 – наружная трубка; 6 – внутренняя трубка; 7 – шарнир

В смежные с аварийным отсеком помещения, вода может поступать в результате ее фильтрации через различные неплотности (нарушения герметичности переборочных сальников трубопроводов, кабелей и т.п.). В таких случаях герметичность восстанавливают конопаткой, клиньями или пробками, а сами переборки подкрепляют аварийными брусьями, чтобы предотвратить их выпучивание или разрушение.

Рисунок 3.15 - Аварийная струбцина: а – с захватами за шпангоуты швеллерного типа; б – захват для шпангоутов бульбового типа; 1 – струбцина; 2 – прижимной винт; 3 – рукоятки прижимного винта; 4 – гайка-ползун; 5 – стопорные винты; 6 – болты, скрепляющие две

планки швеллера; 7- захват

Рисунок 3.16 – Мягкие пластыри

а – учебный; 1- парусина; 2 – прошивка; 3 – ликтрос; 4 – угловые коуши; 5 – кренгельс для контрольного конца; б – шпигованный: 1 – парусиновая покрышка из двух слоев; 2 – мат шпигованный; 3 – прошивка; 4 – коуш угловой; в – облегченный: 1 – коуш угловой; 2 – ликтрос; 3 – карман для рейки; 4 – рейка распорная из трубы; 5,7 - слои парусины; 6 – войлочная прокладка; г – кальчужный: 1,2 – двойной слой парусиновой подушки; 3 – ликтрос пластыря; 4 – кольцо сетки; 5 – шайба парусиновая; 6 – ликтрос сетки

Мягкие пластыри (рисунок 3.16) являются основным средством для временной заделки пробоин, так как могут плотно прилегать по обводам корпуса судна в любом месте.

Литература: [1]: с.36-47; [3]: с.37-53, 112-119: [11]: с.42-52; [7]: с. 288-290.

Вопросы для самоконтроля:

1. Назовите главные размерения судна?

2. Дать определение мореходных характеристик судна?

3. Запас плавучести судна?

4. Дайте определение всех объемных эксплуатационных характеристик судна?

5. Нарисуйте грузовую марку и расшифруйте буквенные обозначения у гре­бенки?

6. Что называется непотопляемостью судна?

7. Какие организационно-технические мероприятия обеспечивают непотопляемость?

8. Что называется остойчивостью судна?

9. Дайте определение метацентрической высоты?

Рулевое устройство

Конструкции рулей

Современный судовой руль представляет собой вертикальное крыло с внутренними подкрепляющими ребрами, вращающееся вокруг вертикальной оси, площадь которого у морских судов составляет 1/10 - 1/60, площади погруженной части ДП (произведения длины судна на его осадку: LT).

На форму руля значительное влияние оказывает форма кормовой оконечности судна и расположение гребного винта.

По форме профиля пера рули делятся на плоские и профильные обтекаемые. Профильный руль состоит из двух выпуклых наружных оболочек, имеющих с внутренней стороны ребра и вертикальные диафрагмы, сваренных друг с другом и образующих каркас для повышения жесткости, кото­рый с обеих сторон покрыт приваренными к нему стальными листами.

Профильные рули имеют перед пластинчатыми ряд преимуществ:

- более высокое значение нормальной силы давления на руль;

- меньший момент, необходимый для поворота руля.

Кроме того, обтекаемый руль позволяет улучшить пропульсивные качества судна. Поэтому он нашел наибольшее применение.

Внутреннюю полость пера руля заполняют пористым материалом, предотвращающим попадание воды внутрь. Перо руля крепится к рудерпису вместе с ребрами (рисунок 4.1). Рудерпис отливают (или отковывают) заодно с петлями для навешивания руля на рудерпост (отливку иногда заменяют сварной конструкцией), являющийся неотъемлемой частью ахтерштевня.

Величина площади пера руля зависит от типа судна и его назначения. Для ориентировочной оценки необходимой площади руля обычно используют отношение S/LT, которое для морских транс­портных судов с одним рулем составляет 1,8-2,7, для танкеров-1,8-2,2;

для буксиров - 3-6; для судов прибрежного плавания — 2,3-3,3.

По способу соединения с корпусом и количеству опор пера пассивные рули разделяют на:

- простые (многоопорные) (рисунок 4.2, а, 6);

- полуподвесные (одноопорные — подвешенные на баллере и опертые на корпус в одной точке) (рисунок 4.2, в);

- подвесные (безопорные, подвешенные на баллере) (рисунок 4.2, г).

По положению оси баллера относительно пера различают:

- рули небалансирные (обычные), у которых ось баллера проходит вблизи передней кромки пера;

- балансирные, ось баллера у которых расположена на некотором расстоянии от передней кромки руля. Полуподвесные балансирные рули называют также полубаллансирными.

Небалансирные рули устанавливают на одновинтовых судах, полубалансирные и балансирные — на всех судах. Применение подвесных (балансирных) рулей позволяет снизить мощность рулевой машины за счет уменьшения крутящего момента, необходимого для перекладки руля.

Рисунок 4.1 - Рулевое устройство с полуподвесным балансирным обтекаемым рулем: 1 - перо руля; 2 - рудерпис; 3 - нижний опорный подшипник баллера; 4 - гельмпортовая труба; 5 - верхний опорно-упорный подшипник баллера; 6 - рулевая машина; 7 - запасный валиковый рулевой привод; 8 - баллер; 9 - нижний штырь пера руля; 10 - рудерпост

Баллер руля — это массивный вал, при помощи которого поворачивает­ся перо руля. Нижний конец баллера обычно имеет криволинейную фор­му и заканчивается лапой — фланцем, служащим для соединения баллера с пером руля болтами, что облегчает съем руля при ремонте. Иногда вместо фланцевого (применяют или конусное соединение. Крепление пера руля к баллеру и корпусу на многих типах судов имеет много общего и отличается не­значительно.

 

Рисунок 4.2 - Конструкции рулей: а - небалансирный простой; б - балансириый простой; в - полуподвесной; г - подвесной: 1 - перо руля; 2 - опора баллера; 3 - румпель; 4 - опора пера; 5 - рудерпост; 6 - пятка ахтерштевня; 7 - кронштейн

 

Баллер руля входит в кормовой подзор корпуса через гельмпортовую трубу, обеспечивающую непроницаемость корпуса, и имеет не менее двух опор (подшипников) по высоте. Нижняя опора распола­гается над гельмпортовой трубой и, как правило, имеет сальниковое уплотнение, препятствующее попаданию воды в корпус судна; верх­няя опора размещается непосредственно у места закрепления сектора или румпеля. Обычно верхняя опора (опорно-упорный подшипник) воспринимает массу баллера и пера руля, для чего на баллере делают кольцевой выступ.

Кроме рулей, на судах применяются подруливающие устройства. Посредством движителя, устанавливаемого в поперечном канале корпуса судна, они создают тяговое усилие в направле­нии, перпендикулярном его ДП, обеспечивают управляемость при отсутствии движения судна или при движении его на предельно ма­лых скоростях, когда обычные рулевые устройства неэффективны. В качестве движителей используются винты фиксированного или регулируемого шага, крыльчатые движители или насосы. Подруливающие устройства расположены в носовой или кормовой оконечностях, а на некоторых судах устанавливают по два таких устройства и в носовой и в кормовой оконечностях. В этом случае возможен не только разворот судна на месте, но и движение его лагом без использования главных движителей. Для улучшения управ­ляемости служат также поворотные насадки, закрепляемые на баллере, и особые балансирные рули.

Пост управления

В состав схемы управления рулевым устройством входят:

- пост управления со следя­щей электрической системой;

- электрическая передача от поста управления к электромотору.

Для дистанционного управления электрогидравлическими рулевыми машинами на судах широко применяется система управления «Аист». Совместно с гирокомпасом и рулевой машиной она обеспечивает четыре вида управления: «Автомат», «Следящий», «Простой», «Ручной».

Виды управления «Автомат», «Следящий» являются основными. При неисправности этих видов управления рулевой машиной переводят на «Простой». В случае отказа в работе дистанционной системы электрической передачи переходят на вид «Ручной».

Составными частями системы «Аист» являются пульт управления (ПУ) – авторулевой «Аист», исполнительный механизм (ИМ-1) и рулевой датчик (РД).

Основной пост управления находится в рулевой рубке у путевого компаса и репитера гирокомпаса. Штурвал или пульт управления рулем монтируют обычно на одной колонке с авторулевым агрегатом. Основным элементом электрической передачи является система контроллеров, помещенных в штурвальной колонке и связанных электропроводкой с электродвигателем основного привода в румпельном отделении.

Рулевые машины

Рулевые машины. В настоящее время широко применяются руле­вые машины двух типов — электрические и гидравлические. Управляют работой рулевых машин дистанционно из рулевой рубки, используя тросовую, валиковую, электрическую или гидравлическую передачу. На современных судах наиболее распространены две последние.

Рулевые приводы

На судах морского флота эксплуатируются разнообразные рулевые приводы, среди которых преимущественное распространение получили рулевые машины с электрическими и гид­равлическими приводами отечественного и зарубежного производства. Они обеспечивают передачу усилий рулевого двигателя к баллеру.