Подлодки Корабли Карта присутствия ВМФ Рейтинг ВМФ России и США
Какой способ жилищного обеспечения военных вы считаете наиболее оптимальным?
Жилье в натуральном виде
    63,41% (52)
Жилищная субсидия
    19,51% (16)
Военная ипотека
    17,07% (14)

Поиск на сайте

§ 1. Силы, действующие на палубные грузы во время перевозки их морем

Во время перевозки грузов морем на верхней палубе морских судов они подвергаются воздействию сил:

а) собственного веса;

б) трения, возникающих между грузом и палубой или подстилочным материалом;

в) инерции, возникающих при нахождении судна на взволнованной поверхности моря;

г) давления ветра;

д) ударов волн;

е) плавучести при вкатывании волн на палубу;

ж) распора, которые возникают у таких грузов, как бревна или бочки, при их укладке на бок, если против этого не приняты меры.

Когда судно находится в прямом положении, действие силы веса сказывается лишь в том, что груз оказывает давление на палубу. Никаких составляющих силы веса, перемещающих груз со своего места, при этом нет. Если же судно имеет крен, то, как видно из рис. 1, вес W разложится на две составляющие:

W1y — параллельную палубе и W1z — перпендикулярную палубе. Следовательно, составляющая W1v будет опрокидывать груз моментом, равным:

Mon = W1ya,


и перемещать его в сторону пониженного борта.

Составляющая W1z будет давить на палубу и вызывать силу трения Fy, которая будет препятствовать перемещению груза по палубе. Из рис. 1 видно, что для бортовой качки


где 0—угол крена.

Сила трения для бортовой качки


По аналогии выписываем выражения для сил при килевой качке.


где ф — угол дифферента;

f — коэффициент трения между грузом и палубой или подкладочным материалом, если последний применяется.


Рис. 1

Когда судно находится на взволнованной поверхности моря, оно испытывает бортовую, килевую и вертикальную качки. Кроме того, во время волнения оно принимает участие в орбитальном движении вместе с частицами воды.

Все виды качки, будучи явлением периодического характера, вызывают появление инерционных сил, достигающих иногда большого значения. Из трех видов качки вертикальная качка вызывает незначительные инерционные силы, которыми обычно пренебрегают.

Инерционные силы от бортовой и килевой качки не учитывать нельзя.

Все части судна, а также предметы, которые находятся на судне, испытывают воздействие указанных выше инерционных сил. Испытывают их и палубные грузы.

Обычно отдельно определяют инерционные силы от бортовой качки и отдельно — от килевой.

В действительности все виды качки существуют одновременно. Однако в курсе «Морская практика», так же как и при более точных исследованиях (например, в таких дисциплинах, как «Теория корабля» и «Строительная механика корабля»), каждый вид качки рассматривается отдельно.

В теории качки корабля установлено, что бортовая и килевая качки достигают своего максимального значения тогда, когда период свободных колебаний судна и период волны равны между собой. Поэтому в расчетах на прочность принимают период колебаний волны равным периоду свободных колебаний судна.

Определение инерционных сил начнем с рассмотрения бортовой качки. Причиной бортовой качки является, с одной стороны, восстанавливающий момент M= D h sin 0, а с другой — вращающий момент инерционных сил, равный угловому ускорению, умноженному на момент инерции массы тела относительно оси вращения. Следовательно, для случая бортовой качки имеем уравнение


где D — водоизмещение судна в т;

h — малая метацентрическая высота в м;

0 — угол крена;

К — момент инерции массы судна относительно продольной оси, проходящей через ЦТ судна;

0" — угловое ускорение.

Из этого уравнения определяем угловое ускорение


В правой части формулы (8) числитель известен, а величина К, стоящая в знаменателе, неизвестна.

Для определения этой величины воспользуемся выражением для периода свободных колебаний судна


откуда


Подставляем в формулу (8) найденную по формуле (9) величину K


Приведенный выше расчет справедлив лишь в тех пределах, в которых справедлива метацентрическая формула остойчивости.

Период свободных бортовых колебаний ,судна может быть определен или из наблюдений за качаниями судна, или же по приближенным формулам из курса «Теория корабля».

На рис. 2 изображено судно, накрененное на максимальный макс угол крена 0 ,в тот момент, когда оно начало движение влево.

Расположим начало координат в ЦТ судна О: ось ОХ направим по диаметральной плоскости в нос судна, ось OY—вправо, ось

OZ — вверх. Предположим, что эта система координат жестко связана с судном. Теперь возьмем на судне точку M¹ с координатами Z¹ и у¹ и допустим, что в этой точке сосредоточена масса m¹


Рис. 2

Обозначив ОМ¹ — расстояние от точки М¹ до оси ОХ — через S¹ , при помощи чертежа получим


Зная угловое ускорение бортовой качки и расстояние S¹, легко вычислить линейное ускорение точки М¹ как произведение углового ускорения на S¹ Обозначая через a¹ линейное ускорение какой-либо точки судна, получим


Это ускорение направлено перпендикулярно линии ОМ¹ в сторону, противоположную движению судна.

При принятых условиях в точке М¹ вследствие расположенной в ней массы m¹ разовьется инерционная сила, равная


Спроектируем полученную силу на оси OY и OZ



Рис. 3

Для вывода выражений, определяющих инерционные силы при килевой качке, воспользуемся рис. 3, на котором изображено судно, наклоненное в продольном направлении на угол дифферента Фмакс. Оси координат расположим так же, как в предыдущем случае. Рассматриваем ту же самую точку M¹ с координатами х¹ и Z¹ Отстояние точки M¹ от оси OY обозначим — S¹ Проведя те же рассуждения, что и для бортовой качки, получим.


Выведенные выражения для определения инерционных сил в обоих случаях качки сходны между собой. Различие заключается в следующем: в формулы вошли период килевой качки

Т² и угол дифферента ф, исчезла сила р1y и появилась сила р1x, сила р1e получила другую величину, отличную от p1z.

Период Т², как и T¹ может быть определен по наблюдениям или по приближенным формулам теории корабля.

Угол 0макс может быть определен как угол крена судна, при котором кромка верхней палубы входит воду, а угол Фмакс — как угол дифферента, при котором в воду входит верхняя кромка форштевня. В обоих случаях эти углы при положении на тихой воде равны


где hб — высота надводного борта; В — ширина судна;


где L — длина судна в предположении, что ЦТ помещается примерно в середине длины судна.

Такое ограничение углов наклона сделано для того, чтобы не допустить поступления больших масс воды на верхнюю палубу, на которой расположено очень много отверстий, не имеющих надежных водонепроницаемых закрытий.

Когда судно находится на взволнованном море, к описанным выше вращательным движениям вокруг продольной и поперечной осей, проходящих через ЦТ судна, прибавляется перемещение, в котором сами оси перемещаются по некоторым орбитам, близким к окружностям. Это перемещение соответствует перемещению водных частиц в волнообразном движении воды и происходит с периодом, равным периоду волны т. Для расчетов орбита движения может быть принята за окружность с радиусом r, равным половине высоты волны h


В этом перемещении все части судна движутся по окружности радиуса r с линейной скоростью


При известной линейной скорости v можно получить центростремительное ускорение


Зная центростремительное ускорение, легко получить центробежную силу по формуле


где т — масса рассматриваемой части судна. Эта сила будет приложена к рассматриваемой части судна и направлена по радиусу к данной точке в сторону, противоположную направлению ускорения а, т. е. от центра окружности. Она будет постоянна по величине и переменна по направлению. Когда судно находится на вершине волны (рис. 4, положение I), центробежная сила вертикальна и направлена вверх. Если же судно расположено на подошве волны (положение II), то она направлена по вертикальной линии вниз. В промежуточных положениях центробежная сила направлена под углом к вертикали.


Рис. 4

Предполагая худший случай качки (рис. 5), при котором в положении на вершине и на подошве волны судно получает наибольшие углы крена 0макс и дифферента Фмакс проекции сил инерции вследствие орбитального движения судна на волнении на направления, параллельные принятым осям координат, будут для бортовой качки равны:


а для килевой качки


Из рис. 5 видно, что для всех масс судна найденные силы инерции от орбитального движения и силы инерции от вращательного движения будут иметь (на вершине или на подошве волны) Одинаковое или обратное направление в зависимости от расположения масс. На рис. 5а эти силы направлены в противоположные стороны, а на рис. 5б — в одну сторону.


Рис. 5

Для составляющих по направлению осей OY и OZ при бортовой качке они имеют вид


Для составляющих по направлению осей ОХ и OZ при килевой качке


Радиус орбитального движения ЦТ судна r принимается равным половине высоты волны, которая может быть встречена в предстоящем плавании.

Сила давления ветра на груз определяется как произведение давления на квадратный метр на площадь поверхности, подвергающейся воздействию ветра. Для учета влияния ветра совместно с другими силами предполагают, что ветер дует в сторону, способствующую совместному сдвигу груза, перпендикулярно борту для боковой качки и вдоль судна — для килевой качки. Полученные таким образом силы суммируются с инерционными силами и силами веса.

Силы трения всегда действуют против движения, следовательно, они уменьшают действие остальных горизонтальных сил. Давление ветра может быть определено, исходя из рассмотрения метеорологических условий предстоящего плавания или может быть принято равным 100 кг/см², что соответствует ветру в 12 баллов.

Суммарные силы, действующие по осям OY и OZ при бортовой качке определяются такими выражениями


Суммарные силы, действующие по осям ОХ и OZ, при килевой качке будут равны:


где W — вес груза;

g — ускорение силы тяжести;

Т¹ и Т ²— собственные периоды соответственно боковой и килевой качки; 0макс и Фмакс — максимальные углы соответственно крена и дифферента;

F¹ и F² — давление ветра, направленного соответственно перпендикулярно диаметральной плоскости и вдоль нее.

В приведенных формулах член, стоящий в скобках, представляет собой инерционные силы, второй член—вес груза и третий— давление ветра. Сила трения не учитывается вследствие трудности определения ее влияния. Пренебрежение силами трения дает ошибку в безопасную сторону.

Как видно из приведенных формул, силы, действующие на груз, переменны по знаку и по величине. Кроме того, во всех случаях имеются силы, перпендикулярные палубе, которые оказывают давление на нее, вызывая некоторые напряжения в конструктивных элементах палубы.

Пример. Найти силы, действующие на ящик, в котором упакована машина. Груз перевозится на верхней палубе судна. Вес ящика 15 т. Положение ЦТ ящика относительно осей координат, проходящих через ЦТ судна, х=25 м, у=6 м и z=10 м. Период боковой качки судна T¹ = 16 сек, период килевой качки T2=6 сек. Амплитуда боковой качки 0макс =200, амплитуда килевой качки Фмакс = 70 Плавание в Японском море в зимнее время. Длина ящика 4 м, ширина 3 м и высота 3 м. Ящик установлен длинной стороной параллельно диаметральной плоскости судна.

Решение. Для оценки отдельных составляющих суммарной силы, действующей на груз, расчет произведем не по общей формуле, а определим каждую составляющую этой силы в таком порядке:

1) составляющие веса;

2) составляющие сил инерции;

3) силу давления ветра.

Для определения инерционных сил нужно знать высоту волны в районе плавания судна, которую выбираем из справочника по теории корабля По справочнику высота волны для Японского моря равна

2r = 5,0 м.


Кроме высоты волны, нам неизвестна сила ветра. Учитывая зимнее время и суровость климата в северной части Японского моря, характеризующегося в этот период года жестокими ветрами, считаем, что в море встретится ветер ураганной силы, т. е. 100 кг/м².

1. Расчет сил, действующих на палубный груз при бортовой качке


а) Определение составляющих веса:


б) Определение инерционных сил:


* В скобках в первом слагаемом 0 выражено в радианах.

в) Определение силы давления ветра:

F¹ = 4,0 • 3,0 • 100= 1200 кг =1,2 т;


г) Определение суммарных сил, действующих при бортовой качке:


2. Расчет сил, действующих на палубный груз при килевой качке


а) Определение составляющих веса:


б) Определение инерционных сил:


в) Определение силы давления ветра:

F² = 3,0 • 3,0 • 100 = 900 кг =0,9 т;


Г) Определение суммарных сил, действующих при килевой качке:


Расчет показывает, что приспособления для крепления груза в рассматриваемом случае должны противостоять в поперечном направлении силе Py = 7,4 т, а в продольном — силе Рx = 4,8 т. Палуба же должна быть проверена на прочность при нагрузке, равной силе Р 'z2 = 23,2 т, т. е. на нагрузку, превышающую вес груза в 1,5 раза. Это чрезвычайно важный вывод, так как обычно палубу рассчитывают только на вес груза.

Во время перевозки морем палубный груз подвергается ударам волн. Возникающие при этом силы не поддаются такому простому расчету, как силы, разобранные выше. Однако современная теория волн позволяет оценить ту энергию, которая может быть передана грузу вследствие воздействия волны. Согласно этой теории почти вся энергия, которую содержит в себе волна, сосредоточена в верхней ее части. Поэтому с ошибкой в безопасную сторону можно считать, что вся энергия волны передается грузу. Энергия волны может быть определена по формуле(1)


где Е — энергия волны на единицу длины гребня в кгм;

W — вес 1 м³ морской воды в кг;

h — высота волны в м;

л — длина волны в м.

Определенная таким образом энергия будет относиться к погонной единице длины предмета, на который действует волна. Зная или задаваясь величинами, входящими в формулу (30), можно определить энергию волн, которую должно воспринимать крепление груза или влияние которой надлежит уменьшить до безопасных размеров.

Мерами, противодействующими воздействию энергии волн, являются:

1) правильное расположение груза;

2) устройство брекватеров;

3) крепление груза найтовами и распорками;

4) маневрирование судном.

Совершенно не безразлично, как расположен на судне груз.

Например, поставленный на палубу вдоль судна катер будет испытывать при движении судна лагом к волне одно воздействие от волн, а если этот катер при таком же движении судна поставить поперек судна, то воздействие волн будет другое, причем оно сильно уменьшится.

Брекватеры поглощают всю или часть энергии волны своими упругими деформациями.

Крепление груза должно безопасно воспринимать энергию поступающих на верхнюю палубу волн.

Маневрирование судном имеет целью или прекратить поступление волн на палубный груз, или максимально уменьшить это поступление.

Некоторые грузы обладают плавучестью, например, лес, плавсредства, порожние цистерны и т. д. В этом случае вкатившиеся на палубу волны будут уменьшать давление груза на палубу, следовательно, облегчать перемещение его по палубе, а иногда будут стремиться смыть груз за борт. Эта сила расчету не поддается и компенсируется соответствующим расположением найтовов.

Такие грузы, как круглый лес, уложенные на бок бочки, трубы и т. д., оказывают давление на ограничивающие их устройства подобно тому, как песок или иной сыпучий груз оказывает давление на стены. Для устранения этого явления бочки кладут на особые подставки, которые воспринимают давление бочек друг на друга. Если грузом служат бревна, такое мероприятие осуществить труднее. Рассматривая бревна как сыпучий материал, можно написать выражение для определения давления на ограждающие устройства в следующем виде


где D — давление на ограждающее устройство длиной 1 м;

γ' - удельный вес фиктивного грунта, заменяющего древесину, равный Y'=yn

γ — удельный вес древесины;

n — степень заполнения пространства бревнами;

h — высота укладки бревен;

φ — угол естественного откоса насыпи бревен, равный для не очищенных от коры бревен примерно 44°.

Эта нагрузка носит характер нагрузки по треугольнику.

(1) С. Н. Благовещенский. Справочник по теории корабля, 1950. стр. 417.

Вперед
Оглавление
Назад


Главное за неделю