Представив этот момент в виде

M , (2.58)

влияние подвешенного груза сведем к соответствующему сни­жению начальной метацентрической высоты:

(2.59).58)

Сопоставляя (2.59) с (2.34), приходим к выводу, что учет влияния подвешенного груза сводится к его мгновенному вертикальному пе­реносу в точку подвеса.

Очевидно, что аналогичным образом получим и поправку к продольной метацентрической высоте

(2.60)

Рис.2.7

.

Перекатывающиеся грузы. К этой категории грузов в пер­вую очередь относится колесный транспорт, а также грузы в круглой таре (бочки, рулоны и т. д.).

Рассмотрим перемещение перекатывающегося груза массой т по криволинейной траектории (рис. 2.7). Считая угол накренения 0 малым, а траекторию ЦТ груза дугой окружности с радиусом R_г, получаем выражение для дополнительного кре­нящего момента, вызванного перемещением груза:

M pR Sin (2.61)

Рассуждая так же, как и в случае подвешенного груза, при­дем к совершенно аналогичным выводам относительно уменьше­ния метацентрических высот:

(2.62)

Таким образом, поправка к метацентрической высоте опре-­
деляется так, как будто перекатывающийся груз перенесен
в центр кривизны траектории движения. Формально при пере-­
катывании груза по плоской поверхности (палуба, настил двой-­
ного дна) судно должно полностью утратить остойчивость и оп-­
рокинуться, так как R и .Этого реально не происходит: угол крена будет нарастать до тех пор, пока катя­щийся груз не свалится за борт или не остановится, упершись, например, в борт. В последнем случае судно будет плавать с начальным углом крена, величина которого легко находится по (2.37).

Перекатывающийся груз представляет для судна серьезную опасность: его смещение приводит к снижению начальной ос­тойчивости и появлению статического угла крена, знак которо­го, особенно при качке, может меняться. Известны случаи гибе­ли судов, вызванные перекатыванием плохо закрепленной колес­ной техники и других подобных грузов.

Жидкие грузы. Жидкие грузы на судне размещаются в спе­циальных емкостях — цистернах и танках. Возможны два состоя­ния груза: емкость загружена частично либо полностью. В по­следнем случае жидкий груз принципиально ничем не отличается от закрепленного твердого — центр его тяжести строго фик­сирован и не перемещается при наклонениях судна.

Совершенно другим образом ведет себя жидкий груз, когда он заполняет цистерну не доверху. При наклонениях судна этот груз переливается так, что свободная поверхность жидкости всегда занимает горизонтальное положение, соответственно пе­ремещается и центр тяжести груза, создавая дополнительный кренящий момент. Рассмотрим два идентичных частично за­полненных бортовых танка (рис. 2.8).

Рис.2.8

При накренении судна на малый угол свободные поверхности в танках примут новое горизонтальное положение, составляющее тот же угол с пер­воначальным. Перемещение ЦТ груза в, танке происходит по дуге окружности радиуса r (рис. 2.8) с центром в точке m _ж. Дополнительный кренящий мо­мент, вызванный указанным пере­мещением,

M (2.63)

где р — тg — сила тяжести, т = — масса; -— объе м; _ж — плотност ь; — удельный вес жидкого груза в танке.

Сопоставляя (2.62) с (2.55), приходим к выводу, что влия­ние жидкого груза со свободной поверхностью такое же, как и груза подвешенного. Проблема — в определении радиуса r _ж. С этой целью дополнительный кренящий момент запишем в ви­де суммы моментов от переместившегося слева направо клина жидкости (рис. 2.8):

, (2.64)

где S — площадь свободной поверхности жидкого груза в тан­ке, 1_Х — момент инерции этой площади относительно ее цен­тральной оси, параллельной оси ох.

Сравнивая (2.63) и (2.64), получаем зависимость для опре­деления радиуса окружности, по которой перемещается ЦТ жидкого груза:

r (2.65)

Формула (2.65) по структуре полностью соответствует полу­ченной ранее формуле (2.8), в связи с чем r_ж называют иногда метацентрическим радиусом, а точку т_ж — метацентром цистер­ны (танка).

Рассуждая так же, как и при рассмотрении влияния подве­шенного груза, найдем уменьшение начальной метацентрической высоты за счет наличия свободной поверхности жидкого груза:

(2.66)

где V — объемное водоизмещение судна.

Аналогичным образом можно найти и поправку к продоль­ной метацентрической высоте:

, (2.67)

где 1_У — момент инерции площади свободной поверхности отно­сительно ее центральной оси, параллельной оси оу.

Из (2.66) и (2.67) следует очень важный вывод: влияние жидкого груза на начальную остойчивость не зависит от его массы, а определяется только площадью свободной поверхности.

Очевидно, что при наличии свободной поверхности в не­скольких танках (цистернах), их отрицательное влияние на остойчивость должно суммироваться. На любом судне имеется большое количество жидких грузов: топливо, питьевая и техническая во­да, жидкий балласт и др. На наливных судах к этому перечню добавляется груз в танках. Соответственно может быть суще­ственным и влияние свободной поверхности в многочисленных цистернах и танках на остойчивость.

Известны случаи опроки­дывания судов из-за потери остойчивости, вызванной жидкими грузами. Поэтому в процессе эксплуатации ведется постоянный контроль за свободными поверхностями жидких грузов и учет их влияния на остойчивость. Кардинальным способом устране­ния этого, в общем случае отрицательного, влияния является заполнение емкостей доверху, так называемая запрессовка.

Когда это невозможно либо нерационально делать, необхо­димый эффект может быть достигнут путем деления свободной поверхности продольными и поперечными переборками. Разде­лив прямоугольную в плане цистерну т продольными переборка­ми на (т + 1) одинаковых участков, мы уменьшим поправку к метацентрической высоте в {т+ I)² раз. Действительно, из курса механики известно, что момент инерции прямоугольника

i = (2.68)

где , h соответственно ширина и высота прямоугольника.

При установке переборок высота уменьшается в (m +1) раз, а суммарный момент инерции (m +1) прямоугольника составит

(2.69)

Было бы неверным на основании изложенного сделать вы­вод, что обеспечение остойчивости наливных судов наталкива­ется на серьезные трудности. Низкое расположение ЦТ судна в грузу наряду с рациональным разделением корпуса продоль­ными и поперечными переборками на изолированные, не сооб­щающиеся между собой танки, приводят к тому, что необхо­димые показатели продольной и поперечной начальной остой­чивости достигаются у этих судов без особого труда.

Однако, при возникновении свободных поверхностей в большом числе цистерн отрицательное приращение может оказаться по абсолютному значению столь велико, что начальная поперечная остойчивость судна может стать отрицательной. Поэтому во избежание потери начальной остойчивости недопустимо одновременно расходовать жидкий груз из большого числа запрессованных цистерн (или принимать его одновременно в несколько порожних цистерн).

Имеющиеся на судах Инструкции по приему и расходованию жидких грузов устанавливают определенный порядок расходования жидких грузов каждого вида. Согласно этим инструкциям жидкость разрешается выкачивать из одной цистерны до полного опорожнения, и только затем переходить к расходованию из следующей и т.д. Прием жидких грузов производится в том же порядке, причем в каждую цистерну жидкость принимают до полной запрессовки.

Рис.2.9. Случай недейственной потери остойчивости.

Следует иметь в виду, что если в цистерне имеется лишь очень тонкий слой жидкости, объем которой составляет менее 5% объема цистерны (рис. 2.9,а), или цистерна заполнена почти доверху, т.е. объем жидкости составляет более 95% объема цистерны (Рис.2.9,б), то ширина свободной поверхности начинает резко уменьшаться после наклонения судна до некоторого весьма малого угла крена Соответственно резкое уменьшение будет претерпевать и момент инерции свободной поверхности жидкого груза в цистерне, а следовательно и поправка к метацентрической высоте.

В таких случаях говорят, что влияние свободной поверхности приводит к недейственной потере остойчивости, которую практически можно не учитывать при определении крена судна по метацентрической формуле. Поэтому, в частности, обычные остатки жидких грузов в пустых танках и цистернах могут не прини­маться в расчет при контроле остойчивости.

Сыпучие грузы. К этой категории относится большая группа грузов, таких, как руда, песок, уголь, цемент, зерно, соль, са­хар и т. д. Эти грузы, подобно жидким, также обладают спо­собностью к перемещению при наклонениях. Однако есть и от­личие принципиального свойства: подвижка сыпучего груза начи­нается только при углах крена, превышающих некоторый крити­ческий.

Рис.2.10

В качестве последнего выступает так называемый угол естественного откоса _е (рис. 2.10), измеряемый при свободном насыпании груза (без разравнивания, уплотнения и т. д.). В тех случаях, когда угол крена > _е, свободная поверхность сы­пучего груза смещается на угол . После возвращения в исходное положение груз так и остается смещенным, а следовательно, судно получает на­чальный угол крена. При качке имеет место тенденция к нарастанию смещения сыпучего груза в одну сторону и соот­ветствующему увеличению угла статиче­ского крена, что не только затрудняет эксплуатацию судна, но и может привести к его опрокидыванию.

Положение усугубляется тем, что угол естественного откоса зависит не только от рода груза и его состояния в момент по­грузки (сухой, влажный, мокрый и др.), но и от условий плава­ния. Так, на величину этого угла оказывают влияние динамиче­ские нагрузки (качка, вибрация), температура и влажность воз­духа. Некоторые навалочные грузы обладают способностью к разжижению (т. е. могут вести себя, как жидкие), когда влажность превышает определенный предел.

Для уменьшения опасного влияния на остойчивость насып­ные грузы разравнивают в трюмах, где, кроме того, устанавли­вают дополнительные съемные продольные переборки — шифтингбордсы. В ходе рейса на современных судах осуществляет­ся вентиляция трюмов, контролируется влажность груза.

В заключение следует отметить, что подвижка грузов может существенно снизить остойчивость и привести к катастрофиче­ским последствиям. Известны случаи гибели довольно крупных судов (L > 150 м, D> 20 000 т) вследствие смещения сыпу­чих или плохо закрепленных грузов.

Однако все рассмотренные выше потенциально подвижные грузы перестают представлять опасность для остойчивости, ког­да они (подвешенные, перекатывающиеся) надлежащим обра­зом закреплены, а цистерны с жидким грузом запрессованы.

Влияние условий эксплуатации на начальную остойчивость.

В процессе эксплуатации судна его остойчивость меняется. Ряд факторов, влияющих на нее, мы уже затрагивали: расходование судовых запасов, в том числе топлива и воды, связанные с этим изменения свободных поверхностей в цистернах и танках и т. д. Все эти изменения происходят в течение длительного вре­мени, а постоянно ведущийся на судне контроль за остойчи­востью позволяет предотвратить ее уменьшение ниже допусти­мого.

Встречаются, однако, случаи, когда остойчивость может существенно измениться за короткий промежуток времени. В этом плане особую опасность представляет движение судна на попутном волнении, особенно если длина волны близка дли­не судна, а скорость ее распространения — скорости движения судна. В этом случае имеет место как бы статическая постанов­ка судна на волну. При неизменной величине погруженного объема существенно трансформируется его форма, в том числе и площадь действующей ватерлинии (ВЛ). При положении суд­на на подошве волны его остойчивость увеличивается — вслед­ствие развала бортов в оконечностях и их прямостенности в средней части значительно возрастает площадь ВЛ и ее мо­мент инерции.

Противоположная картина имеет место при положении суд­на на вершине волны — этот вариант и является наиболее не­благоприятным для поперечной остойчивости. На встречном вол­нении подобная ситуация также может иметь место, но сниже­ние остойчивости наблюдается довольно короткое время, за которое судно не успевает на него среагировать. На попутном волнении, указанных выше параметров уменьшение остойчивос­ти длится долго и возможно появление значительных накренений, а иногда и опрокидывания судна. Расчет остойчивости на попутном волнении достаточно громоздок и выходит за рамки настоящего курса. Отметим лишь, что наибольшей опасности в данной ситуации подвержены относительно небольшие суда. При длине судна L > 100 м подобная опасность практически исключена либо ее легко избежать, изменив курс или уменьшив скорость.

Большие проблемы для безопасности плавания представляет обледенение судна. В основном это относится к небольшим су­дам с невысоким надводным бортом. Интенсивность обледене­ния возрастает при низких температурах и во время шторма. Обледенение приводит к снижению остойчивости (за счет повы­шения центра тяжести судна) при одновременном уменьшении запаса плавучести. Из-за того, что на ходу носовая оконечность судна забрызгивается значительно сильнее, чем кормовая, при обледенении может возникнуть настолько большой дифферент на нос, что судно полностью лишится хода и управляемости.

При обледенении запас остойчивости обычно утрачивается раньше, чем запас плавучести, и судно опрокидывается. Для малых судов иногда это может произойти при массе льда, рав­ной всего 2 % водоизмещения. Усугубляет положение и то, что, затягивая шпигаты и штормовые портики, лед препятствует стоку воды при заливании палубы. Существуют способы учета влияния обледенения, хотя в по­добной ситуации только за счет контроля остойчивости судна обеспечить его безопасность не всегда удается. На малых судах уменьшение остойчивости может происходить весьма быстро и на большую величину. На низкобортных судах водоизмещением D 500 т количество льда, намерзающего в штормовых усло­виях в течение часа, иногда достигает 25 т.

Борьба с обледенением сводится, как правило, к ручной сколке льда, иногда в сочетании с применением горячей воды. Хороший эффект дает уход из района обледенения, в меньшей степени — изменение курса и скорости движения.

Дата добавления: 2015-07-26