Морська бібліотека Росія немає
Хитавицею судна називаються коливальні рухи, що здійснюються судном щодо положення рівноваги. В основному качка виникає під дією гідродинамічних сил, обумовлених возмущающим ефектом вітрового хвилювання.
Мета вивчення качки судна і її законів - виявити шкідливі наслідки качки і розробити раціональні заходи щодо запобігання або пом'якшення цих наслідків. Ступінь схильності судна хитавиці характеризується його мореплавства: чим менше судно схильне хитавиці, тим воно більш морехідне.
Кільова хитавиця судна
До шкідливих наслідків качки відносяться:
зменшення швидкості судна внаслідок збільшення опору води руху судна і погіршення режиму роботи рушіїв;
виникнення додаткових зусиль, викликаних силами інерції і ударами хвиль, що може привести до місцевих руйнувань корпусу і окремих пристроїв судна;
порушення нормального режиму роботи механізмів, пристроїв і різних приладів внаслідок впливу сил інерції;
заливання палуби, що утрудняє обслуговування механізмів і окремих пристроїв, розташованих на палубі і вище неї;
погіршення умов населеності судна, шкідливий фізіологічний вплив на людей, що знаходяться на судні.
Небезпечними наслідками качки є:
перекидання судна через втрату остійності в результаті появи великих кутів крену або значне зменшення остійності внаслідок зсуву вантажів, прийому великої кількості води на палубу і т.д .;
руйнування (злам) корпусу через втрату загальної поздовжньої міцності.
При вивченні коливальних рухів судна розрізняють качку на тихій воді і качку на хвилюванні. Вільна хитавиця на тихій воді відбувається після припинення дії сил, якими судно було виведено з рівноваги, а потім надано самому собі.
Такі коливання швидко затухають внаслідок дії сил опору води.
Однак деякі параметри і характеристики качки судна на тихій воді істотно впливають на параметри вимушеної качки на хвилюванні, тому їх необхідно вивчати.
Вимушена качка викликається періодично змінюються силами тиску, що виникають при підвищенні і зниженні рівня води у бортів судна при плаванні на схвильованій поверхні води.
Залежно від напрямку коливань судна щодо сталого положення рівноваги розрізняють три види качки:
бортову - обертальні коливальні рухи в поперечній площині;
кільову - обертальні коливальні рухи в поздовжній площині;
вертикальну - поступальні коливальні рухи щодо площини ватерлінії, що відповідає статичному рівновазі.
Такий поділ качки полегшує і спрощує її вивчення, дозволяє встановити основні залежності і отримати необхідні для практичних цілей висновки.
Хитавицю судна, як будь-яке коливальний рух, характеризують такі параметри:
амплітуда хитавиці θ - найбільше відхилення судна від положення рівноваги;
розмах качки - подвоєна амплітуда або повне переміщення судна з одного крайнього положення в інше;
період качки Т - час, протягом якого судно здійснює одне повне коливання;
частота качки n - число повних коливань судна за час 2π сек.
Період і частота качки пов'язані співвідношенням: Т = 2π / n.
КАЧКА СУДНА НА ТИХОЇ ВОДІ
КАЧКА СУДНА НА ТИХОЇ ВОДІ
Качка судна на тихій воді, яка відбувається після припинення дії деякого початкового обурення, є власні (вільні) коливання. Розглянемо три основні види качки, які на спокійній воді теоретично можуть існувати незалежно один від одного: бортову, кільову і вертикальну.
Бортова хитавиця. Бортовий хитавицею на тихій воді називають обертальний коливальний рух судна навколо поздовжньої осі з поперемінним креном на лівий і правий борти. Таку качку можна викликати перебіганням людей по палубі з борта на борт, швидким винесенням вантажу стрілою або краном за борт.
Бортова хитавиця судна на тихій воді характеризується амплітудою бортовий качки θm і періодом власних коливанні Тθ:
Де С = 0,36 - 0,43 - коефіцієнт, значення якою залежить від типу судна; В - ширина судна; h - метацентрическая висота. Цей вислів називається капітанською формулою. Хоча її точність відносно невелика, вона, завдяки своїй простоті, широко застосовується, наприклад, для визначення метацентрической висоти судна по періоду бортової качки Тθ.
Аналізуючи цю формулу, можна зробити висновок, що період бортовий качки на тихій воді не залежить від її амплітуди. При цьому збільшення остійності судна зменшує період качки судна, тобто чим більше метацентрическая висота h, тим менше період качки Тθ. кільова і вертикальна хитавиця.
Кільовий хитавицею судна на тихій воді називають обертальні коливальні рухи судна щодо поперечної осі, що викликають поперемінним дифферент на корму і на ніс.
Фізична сутність, поздовжніх коливань при кільової хитавиці залишається такою ж, як і при бортовий, хоча поздовжні коливання мають, деякі особливості, наприклад: вони швидко згасають через великий опір води.
Як показують досвідчені дані, до повної зупинки судна при кільової хитавиці на тихій воді потрібно лише 3 - 5 розмахів.
Кільова качка характеризується амілтудой θψ і періодом власних коливанні Тψ:
Тψ = 2,4√T, де Т - осаду судна.
Слід мати на увазі, що ця формула є досить наближеною.
Вертикальної хитавицею судна на тихій воді називають поступальні рухи судна уздовж вертикальної осі, що викликають почергове зменшення і збільшення опади.
Вертикальна качка, як самостійний вид коливальних рухів, можлива тільки в тому випадку, якщо Ц.Т. що входить до воду шару буде перебувати на одній вертикалі з Ц.Т. судна.
Ця умова практично нездійсненно, петому вертикальна хитавиця обов'язково супроводжується кільової. Періоди власних коливань вертикальної і кільової качки на тихій воді практично рівні.
КАЧКА СУДНА НА РЕГУЛЯРНОМУ хвилювання
КАЧКА СУДНА НА РЕГУЛЯРНОМУ хвилювання
Бортова хитавиця. Бортова хитавиця судна на регулярному хвилюванні може бути представлена як сума двох гармонійних коливань - власних коливанні з частотою nθ бортовий качки на тихій воді без урахування опору води і вимушених коливанні з частотою хвилі σ і амплітудою качки θm.
На регулярному хвилюванні, яке має місце, наприклад, при мертвої брижах або при хитавиці моделі судна в дослідному басейні, на штучно створюваних регулярних хвилях, власні коливання швидко затухають внаслідок впливу опору води, і коливання судна після закінчення деякого часу стають чисто вимушеними. Амплітуда вимушених коливань при бортовий хитавиці без урахування опору води, згідно з висновками лінійної теорії качки, може бути обчислена за формулою:
θm - амплітуда хитавиці;
α0 - найбільший кут хвильового схилу;
Tθ - період власних коливань судна;
τ - період хвилі.
Ставлення. θm / α0 прийнято називати відносною амплітудою
З рівняння (1) випливає, що в міру наближення періоду хвилі τ до періоду власних коливанні Tθ відносна амплітуда вимушених коливань зростає і при відсутності сил опору води стає нескінченно великою (при τ - Tθ). Таке явище називається резонансом.
Насправді, резонанс, хоча і не призводить до виникнення нескінченно великих амплітуд, викликає поява резонансних максимальних амплітуд. З порівняння кривих, наведених на малюнку видно, що вплив опору води на відносну амплітуду вимушених коливань істотно лише в тому випадку, коли відношення періодів знаходиться в інтервалі 0,70 ≤ Tθ / τ ≤ 1,3; поза цією областю вплив опору незначно.
Розглянутий випадок качки є найбільш небезпечним. Якщо судно не володіє достатньою динамічної остойчівостио, то резонанс може привести до втрати остійності і до перекидання судна. Саме тому при нормуванні остійності морських суден оцінюють кути, що виникають не тільки від дії динамічно прикладеного тиску вітру, а й кути крену при бортовий хитавиці, виходячи з припущення, що судно знаходиться на регулярному хвилюванні в умовах резонансу при положенні лагом до хвилі.
Кільова і вертикальна хитавиця. Якщо судно розташований врозріз хвилі, то воно зазнає кільову качку. Фізична сутність явищ, що відбуваються при кільової і бортовий хитавиці, практично однакова, тому що характер руху судна не змінюється, а сили, що діють на нього, за своєю природою залишаються тими ж.
Однак умови кільової качки судна на хвилюванні відрізняються від умов бортовий качки. При кільової хитавиці опір навколишнього середовища значно більше, ніж при бортовий. Тому вільні коливання при кільової хитавиці загасають швидше.
Практично кільову качку можна вважати складається з одних вимушених коливань.
Дослідження кільової качки ускладнюється тим, що одночасно виникає вертикальна хитавиця, причому їх взаємний вплив один на одного і на характеристики коливань судна істотно.
Оскільки навіть при резонансі амплітуди кільової качки відносно невеликі, можна стверджувати, що практичне значення для судна має не стільки сама качка, скільки пов'язані з нею заліваемоеть палуби і надбудов і поява слеммінга - гідродинамічних ударів носовою частиною судна про воду.
Зазначені явища, а також погіршення роботи гребних гвинтів через періодичне оголення гвинто-рульової групи призводять до значного (до 50%) зменшення швидкості судна, що несприятливо позначається на його економічних показниках. Явище слеммінга відчувається на протязі від 1/10 до 1/8 довжини судна.
Удари про воду супроводжуються струсами корпусу, що переходять в вібрацію. У міру збільшення крутизни хвилі сила ударів зростає, що нерідко призводить до пошкоджень днища. Тому при виникненні сильних ударів судоводитель змушений зменшувати, швидкість або змінювати курс судна.
заспокоювач качки
Заспокоювачами качки прийнято називати пристрої, які застосовуються для зменшення амплітуди хитавиці судна.
Дія встановлених на судні заспокоювачів качки полягає в тому, що вони створюють змінний стабілізуючий момент, протилежний за знаком обурює моменту хвилі. В даний час застосовуються заспокоювачі тільки бортовий качки. Зменшити амплітуди кільової і вертикальної качки з допомогою заспокоювачів практично важко, тому що ще не створені заспокоювачі, здатні розвивати значно більші, ніж при бортовий хитавиці, стабілізуючі моменти.
Заспокоювачі качки діляться на пасивні і активні. Дія робочих органів пасивних заспокоювачів засноване на створенні стабілізуючого моменту за рахунок коливальних рухів судна під час качки, тобто при їх використанні відпадає необхідність в спеціальних джерелах енергії.
В активних заспокоювачах змінний стабілізуючий момент створюється примусово за допомогою особливих механізмів, керованих спеціальним регулюючим пристроєм, яке, в свою чергу, реагує на коливання судна. Активні заспокоювачі більш ефективні, але на їх роботу потрібно витрачати додаткову потужність.
Пасивні заспокоювачі. До числа пасивних заспокоювачів качки відносяться виличні кили і пасивні заспокійливі цистерни.
Виличні кили є найбільш простим і ефективним засобом зменшення бортовий качки і тому знаходять найширше застосування.
Пасивні заспокійливі цистерни можуть бути двох типів: закритого, що не сполучається з забортної водою (I роду) і відкритого, що сполучається з забортної водою (II роду). Цистерни наполовину заповнені водою (іноді, паливом) і з'єднані каналами. Пасивні заспокійливі цистерни найбільш ефективні при резонансної хитавиці.
При деяких умовах і режимах нерегулярного хвилювання такі заспокоювачі можуть привести до збільшення амплітуд качки. Наявність вільної поверхні рідини в цистернах також несприятливо впливає на остійність судна. Внаслідок зазначених причин пасивні цистерни в даний час практично не використовуються.
Активні заспокоювачі. До активних заспокоювач качки відносяться бортові керовані керма, активні заспокійливі цистерни і гіроскопічні заспокоювачі-стабілізатори.
Бортові керовані керма є досить ефективним засобом зменшення бортовий качки і набули широкого поширення на транспортних і особливо на пасажирських судах. Вони розміщені на спеціальних приводах, що забезпечують зміну кутів атаки за певним законом, висунення їх з корпусу і прибирання всередину корпусу.
Практика показує, що бортові керма доцільно застосовувати при швидкостях, що перевищують 10-15 узл. В цьому випадку бортові керма призводять до значного (в кілька разів) зниження амплітуд бортової хитавиці.
Активні заспокійливі цистерни зазвичай виконують у вигляді цистерн I роду. Для регулювання руху води застосовують або насоси, встановлені в водяному каналі, або воздуходуви, розташовані в повітряному каналі. Управління насосом або повітродувкою здійснюється за допомогою спеціальної автоматики таким чином, щоб можна було регулювати подачу води з однієї цистерни в іншу і забезпечувати необхідну зміну стабілізуючого моменту.
Ефективність установки не залежить від швидкості судна: цистерни однаково стримують качку на ходу і на стоянці.
Недоліки активних цистерн: складність конструкції, висока вартість, застосування складної регулюючої апаратури, зниження вантажопідйомності судна необхідність витрат додаткової енергії.
Гіроскопічний заспокоювач качки є потужний гіроскоп, що обертається на осі в рамі. Гіроскоп встановлюють вертикально. Крен судна при бортовий хитавиці викликає поворот осі гіроскопа - так звану прецесію гіроскопа. Внаслідок цього виникає гіроскопічний момент, який є стабілізуючим моментом успокоителя.
Гіроскопічні заспокоювачі можуть бути як пасивними, так і активними. У пасивного успокоителя прецесія виникає як реакція на качку судна. В активних заспокоювачах прецесія створюється примусово за рахунок передачі зовнішньої енергії електродвигуна, керованого автоматичним регулятором, який реагує на режим качки судна.
Недоліки: значна маса, велика вартість, складність пристрою і експлуатації.