Файл: Методичка для практических занятий по ТУС 3к судоводители.doc

Таблицы нагрузки, содержащие судовые расходуемые запасы, и сводная таблица имеют ту же форму, что и (табл. 4.1), но составляются в двух вариантах – на начало и конец рейса, а в некоторых случаях и для промежуточного состояния нагрузки. После суммирования сводной таблицы по столбцам 3, 5 и 7 искомые величины для каждого состояния нагрузки определяются по формулам:

водоизмещение судна ;

абсцисса (ЦТ) судна , (4.4)

аппликата (ЦТ) судна ,

где – число статей нагрузки, составляющих дедвейт судна.

Если водоизмещение судна порожнем и его статические моменты и вносятся в качестве первой строки в (табл. 4.1), то первые слагаемые в формулах (4.4) вошедшие в итоговые суммы и выражения (4.4) примут вид:

. (4.5)

После определения аппликаты (ЦТ) судна, его весового водоизмещения , и соответственно данной осадки , по кривым элементам теоретического чертежа или гидростатической таблице, для данного случая нагрузки находим искомые величины , для расчета поперечной и продольной метацентрических высот по формулам (4.2) и (4.3).

При заполнении таблицы нагрузки вспомогательным средством для определения координат центров тяжести отдельных грузов служит чертеж размещения грузов. Этот чертеж представляет собой схематический продольный разрез судна, вычерченный в большем масштабе по высоте, с изображением всех помещений, предназначенных для перевозимых грузов и судовых запасов (рис. 4.5).

Внизу размещена шкала расстояний от миделя в нос и в корму, а по бокам – вертикальные шкалы расстояний от основной плоскости.

В каждом помещении, предназначенном для перевозки насыпных или генеральных грузов, построена кривая центров тяжести горизонтальных сечений (кривая ), на которой нанесена шкала объемов в зависимости от уровня заполнения, и кривая , которая указывает положения центров тяжести объемов, отмеченных на шкале для этой кривой (см. рис. 4.5.).

Для некоторых серий судов на чертеже размещения грузов отсутствуют кривые . Вместо них на кривых с одной стороны строится шкала объемов, а с другой – шкала возвышения их центров тяжести над основной плоскостью. Такой чертеж изображен на (рис. 4.6) и (рис. 4.7).

При пользовании чертежом размещения грузов следует обратить внимание для какой грузовместимости построены шкалы объемов. Если шкалы объемов построены для генеральных грузов, а перевозится насыпной груз, то, пользуясь шкалой объемов, следует входить в нее по условному (приведенному) объему

, (4.6)

где, коэффициент приведения есть отношение грузовместимостей данного грузового помещения для генеральных грузов и для сыпучих

. (4.7)

Рис. 4.5 Чертеж размещения грузов

В противоположном случае, когда шкалы построены для насыпного груза, а перевозится генеральный груз, коэффициент приведения будет обратным соотношением. На чертеже размещения грузов всегда указывается, для какой грузовместимости построены шкалы объемов, а также либо коэффициенты приведения, либо вместимости для насыпных и генеральных грузов всех грузовых помещений.

Рис. 4.6 Чертеж размещения генерального груза в трюме

Рис. 4.7 Чертеж размещения насыпного груза в трюме

Рассмотрим примеры пользования чертежом размещения грузов.

1. В трюм принимается генеральный груз массой с удельным погрузочным объемом . Определяем объем, занимаемый грузом в трюме: . Если шкалы объемов построены для генеральных грузов, то по объему на шкале находим положение центра тяжести груза и определяем координаты и . Если шкалы объемов построены для сыпучих грузов, то определяем приведенный объем и по нему определяем и центра тяжести.

2. Поверх груза объемом с аппликатой принят груз объемом с другим удельным погрузочным объемом. Требуется найти аппликату (ЦТ) верхнего груза и аппликату (ЦТ) всего груза. По шкале определяем аппликату (ЦТ) суммарного объема , после чего найдем

. (4.8)

Аппликата (ЦТ) всего груза будет

, (4.9)

где и – массы нижнего и верхнего грузов.

Аналогично вычисляется аппликата (ЦТ) нескольких грузов, расположенных равномерными слоями на разной высоте. При этом, если слой груза имеет малую высоту, то (ЦТ) этого груза можно принимать расположенным на середине высоты слоя.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5. ИЗМЕНЕНИЕ ОСТОЙЧИВОСТИ И ПОСАДКИ СУДНА ПРИ ПРИЕМЕ, СНЯТИИ И ПЕРЕНОСЕ ГРУЗА

Во время эксплуатации транспортных судов его экипажу все время приходится выполнять следующие операции:

• пополнение, расходование и перемещение судовых запасов;

• погрузка, выгрузка и перемещение грузов;

• прием, откачка и перемещение балласта с целью придания судну необходимой остойчивости и посадки.

Все эти операции можно рассматривать, как общий случай переноса груза в виде трех последовательных перемещений вдоль координатных осей, связанных с судном:

• вертикальное перемещение груза;

• горизонтально-поперечное перемещение груза;

• горизонтально-продольное перемещение груза.

Эти три перемещения груза для упрощения расчетов можно рассматривать отдельно друг от друга.

5.1 Вертикальное перемещение

Перенесем груз весом по вертикали из точки в точку , как это показано на (рис. 5.1).

Рис. 5.1 – Вертикальный перенос груза

Так как водоизмещение остается постоянным, то центр величины и метацентр не меняют своего положения. Также неизменными останутся горизонтальные координаты и центра тяжести судна, поскольку перенос происходит перпендикулярно этим осям. Изменится лишь координата .

Для того чтобы найти перемещение центра тяжести судна, заметим, что статический момент его массы относительно основной плоскости изменится на величину , откуда получим

. (5.1)

Очевидно, что на такую же величину изменятся и метацентрические высоты

. (5.2)

5.2 Поперечное перемещение

Перенесем теперь груз по горизонтали в поперечной плоскости судна из точки в точку (рис.5.2). Горизонтальный перенос груза равносилен приложению к судну пары сил, момент которой в рассматриваемом случае расположен в поперечной плоскости.

Рис. 5.2 Горизонтально-поперечный перенос груза

Такой момент вызовет крен судна, поэтому он называется кренящим моментом. Величина кренящего момента от переноса груза будет

. (5.3)

Здесь заменен единицей, так как рассматриваются малые углы крена. При наклонении судна появится восстанавливающий момент . Очевидно, что судно накренится на такой угол , при котором восстанавливающий момент уравновесит кренящий

или , (5.4)

откуда определится угол крена

. (5.5)

При принятом положительном направлении оси на правый борт положительный угол крена будет также на правый борт.

5.3 Продольное перемещение

Перенос груза по горизонтали вдоль судна из точки в точку (рис. 5.3), равносилен приложению пары сил в продольной плоскости, которая вызовет дифферент судна, в связи с чем ее момент называется дифферентующим. Величина этого момента определится выражением

. (4.6)

Рис. 5.3 Горизонтально-продольный перенос груза

Аналогично предыдущему, условием равновесия будет равенство дифферентующего и продольного восстанавливающего моментов

или , (5.7)

откуда найдется угол дифферента

. (5.8)

При продольных наклонениях кроме угла дифферента необходимо также определить изменение осадок носом и кормой. Согласно теореме Эйлера ось равнообъемного наклонения проходит через точку (центр тяжести площади ватерлинии), абсцисса которой определится по диаграмме элементов теоретического чертежа. Из треугольников и найдем

(4.9)

и новые осадки носом и кормой будут

(5.10)

а изменение дифферента будет

. (5.11)

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 6. ВЛИЯНИЕ ПОДВЕШЕННЫХ И ЖИДКИХ ГРУЗОВ НА ОСТОЙЧИВОСТЬ СУДНА

В составе нагрузки судна всегда имеются грузы, которые смещаются в сторону наклонения. Таковы, например, подвешенные и жидкие грузы.

Смещение грузов создает дополнительный момент, который изменяет угол наклонения судна от воздействия внешних моментов и поэтому рассматривается как влияющий на остойчивость судна, то есть уменьшающий его восстанавливающий момент. Рассмотрим основные виды таких грузов.

6.1 Подвешенный груз

Если груз массой подвешен в точке , то при наклонении судна в произвольной плоскости линия действия силы тяжести груза, оставаясь вертикальной, все время будет проходить через точку подвеса, как если бы в ней находился центр тяжести этого груза (рис. 6.1).

Рис. 6.1 Подвешенный груз

Отсюда следует, что влияние подвешенного груза на остойчивость судна, эквивалентно перемещению груза по вертикали вверх на расстояние от его центра тяжести до точки подвеса.

Если первоначально диаграмма остойчивости рассчитана для неподвижных грузов, а затем груз массы оказался подвешенным на подвесе длиной , то в пределах углов крена, при которых груз может свободно отклоняться, изменение диаграммы остойчивости будет таким же, как от перемещения его по вертикали в точку подвеса. При этом увеличения аппликаты центра тяжести (ЦТ) судна определится формулой

, (6.1)

где – длина подвеса, равная

, (6.2)

и – аппликаты центра тяжести груза и точки его подвеса, соответственно.

Поэтому формула метацентрической высоты , исправленной на влияние подвешенного груза, примет вид

. (6.3)

Тогда, согласно формулам (6.1), (6.2) и (6.3) получим

. (6.4)

Когда судовой кран поднимает груз, находящийся на судне, то в момент отрыва его от палубы груз становится подвешенным и метацентрическая высота сразу изменяется до значения , определяемого формулой (6.3). При дальнейшем его подъеме метацентрическая высота сохраняет свою величину. Если отклонение груза ограничено, то его следует считать подвешенным, лишь до угла наклонения, при котором он становится неподвижным.

Для продольной остойчивости влияние подвешенного груза выражается тем же слагаемым, что и для поперечной остойчивости (6.4). Однако в обычных условиях оно относительно мало, и им можно пренебречь.

Существенное влияние подвешенный груз имеет для плавучих кранов, у которых вес поднимаемого груза достигает 10 % от водоизмещения крана, а точка подвеса груза может находиться на большой высоте.

6.2 Жидкий груз

В нагрузке судна всегда присутствуют подвижные грузы в виде жидкостей. Таковы, например, запасы пресной воды, топлива, смазочных масел и другие. Для наливных судов жидкие грузы составляют основную часть дедвейта. Поэтому при расчетах остойчивости всегда приходится определять влияние смещения жидких грузов.

Рассмотрим судовую цистерну, частично заполненную жидким грузом до уровня (рис. 6.2.а).

При крене судна жидкость перетечет так, что ее свободная поверхность займет положение параллельно новой ватерлинии . При этом центр тяжести жидкости сместится в сторону крена из точки в . Рассматривая малые углы наклонения, кривую можно принять за дугу окружности с центром в точке , через которую в процессе наклонения все время будет проходить линия действия силы тяжести жидкости. Таким образом, в отношении остойчивости жидкий груз эквивалентен неподвижному грузу той же массы, но с центром тяжести расположенным в точке , т.е. поднятому по вертикали на расстояние радиуса .

Если теперь рассмотреть плавающую цистерну той же формы (рис. 6.2.б), погруженную по ватерлинию соответственно уровню груза в цистерне, то нетрудно убедиться в том, что при наклонениях перемещения центра тяжести жидкого груза в цистерне и центра величины судна-цистерны будут тождественны, так как обе точки являются центрами тяжести одинаковых объемов.

Рис. 6.2 Влияние свободной поверхности жидкого груза на остойчивость судна

Поэтому точку можно рассматривать как метацентр жидкого груза, а – как метацентрический радиус, который в соответствии с формулой (6.5) будет

, (6.5)

, (6.6)

где – центральный момент инерции площади свободной поверхности жидкости в цистерне относительно оси, параллельной оси наклонения (параллельной оси );

– объем жидкости в цистерне.

Воспользуемся опять формулой (6.4)

.

Тогда для метацентрической высоты, исправленной на влияние жидкого груза, получим

. (6.7)

Подставляя значение и учитывая, что масса жидкости в цистерне , будем иметь

, (6.8)

где – плотность жидкости в цистерне.

Из полученного выражения видно, что наличие на судне жидкого груза, имеющего свободную поверхность, уменьшает остойчивость. Поправка к метацентрической высоте не зависит от количества жидкого груза, а определяется его плотностью и моментом инерции площади свободной поверхности. Если цистерна заполнена жидкостью целиком (запрессована) так, что свободная поверхность отсутствует и = 0, то смещения жидкости при наклонениях не будет. В этом случае остойчивость судна будет такой же, как если бы груз был твердым.

По аналогии для продольной метацентрической высоты, исправленной на влияние жидкого груза, получим

, (6.9)

где – центральный момент инерции площади свободной поверхности жидкого груза относительно оси, параллельной .

Для уменьшения поправки на влияние жидкого груза следует уменьшать ширину цистерн « » путем разделения ее продольной переборкой (рис. 6.3).

В первом случае в формулу (3.8) войдет величина , равная

, (6.10)

а при одной средней переборке суммарная величина будет

, (6.11)

т.е. поправка на влияние жидкого груза уменьшится в 4 раза. Нетрудно установить, что при равномерно расставленных продольных переборках величина поправки к поперечной метацентрической высоте уменьшится в раз. Практически на современных танкерах устанавливают две продольные непроницаемые переборки, что достаточно снижает влияние жидкого груза на остойчивость.

Как уже отмечалось выше, поправка к метацентрической высоте на влияние жидкого груза не зависит от его количества. Однако если в цистерне имеется лишь небольшой слой жидкости или если она заполнена почти полностью, то уже при малых углах крена ширина свободной поверхности резко сокращается и при дальнейшем наклонении влияние перетекания становится незначительным (рис. 6.4).

Рис. 6.3 Разделение цистерн продольной переборкой

Рис. 6.4 Случаи недейственной потери остойчивости

Поскольку конфигурации судовых цистерн отличаются большим разнообразием, и расчет моментов инерции их площадей для различных заполнений цистерн представляют большую сложность то для практических целей пользуются приближенными способами.

В связи с этим практически используются приближенные способы учета влияния жидких грузов на диаграмму статической остойчивости, изложенные в «Инструкции по учету влияния свободных поверхностей жидких грузов на остойчивость судна», либо способ, рекомендуемый ИМО.