Для судов речного флота важна поперечная остойчивость потому что

Обновлено: 02.05.2024

Остойчивость (stability) – одно из важнейших мореходных качеств судна, с которым связаны чрезвычайно важные вопросы, касающиеся безопасности плавания. Утрата остойчивости почти всегда означает гибель судна и очень часто экипажа. В отличие от изменения других мореходных качеств уменьшение остойчивости не проявляется видимым образом, и экипаж судна, как правило, не подозревает о грозящей опасности до последних секунд перед опрокидыванием. Поэтому изучению этого раздела теории корабля необходимо уделять самое большое внимание.

Основные понятия и определения

Для того чтобы судно плавало в заданном равновесном положении относительно поверхности воды, оно должно не только удовлетворять условиям равновесия, но и быть способным сопротивляться внешним силам, стремящимся вывести его из равновесного положения, а после прекращения действия этих сил – возвращаться в первоначальное положение. Следовательно, равновесие судна должно быть устойчивым или, другими словами, судно должно обладать положительной остойчивостью.

Таким образом, остойчивость – это способность судна, выведенного из состояния равновесия внешними силами, вновь возвращаться к первоначальному положению равновесия после прекращения действия этих сил.

Остойчивость судна связана с его равновесием, которое служит характеристикой последней. Если равновесие судна устойчивое, то судно обладает положительной остойчивостью; если его равновесие безразличное, то судно обладает нулевой остойчивостью, и, наконец, если равновесие судна неустойчивое, то оно обладает отрицательной остойчивостью.

В этой главе будут рассматриваться поперечные наклонения судна в плоскости мидель-шпангоута.

Остойчивость при поперечных наклонениях, т. е. при возникновении крена, называется поперечной. В зависимости от угла наклонения судна поперечная остойчивость делится на остойчивость при малых углах наклонения (до 10-15 град), или так называемую начальную остойчивость, и остойчивость при больших углах наклонения.

Наклонения судна происходят под действием пары сил; момент этой пары сил, вызывающий поворот судна вокруг продольной оси, будем называть кренящим Mкр .

Если Mкр , приложенный к судну, нарастает постепенно от нуля до конечного значения и не вызывает угловых ускорений, а следовательно, и сил инерции, то остойчивость при таком наклонении называется статической.

Кренящий момент, действующий на судно мгновенно, приводит к возникновению углового ускорения и инерционных сил. Остойчивость, проявляющаяся при таком наклонении, называется динамической.

Статическая остойчивость характеризуется возникновением восстанавливающего момента, который стремится возвратить судно в первоначальное положение равновесия. Динамическая остойчивость характеризуется работой этого момента от начала и до конца его действия.

Рассмотрим равнообъемное поперечное наклонение судна. Будем считать, что в исходном положении судно имеет прямую посадку. В этом случае сила поддержания D′ действует в ДП и приложена в точке С – центре величины судна (Centre of buoyancy-В).

Рис. 1

Допустим, что судно под действием кренящего момента получило поперечное наклонение на малый угол θ . Тогда центр величины переместится из точки С в точку С₁ и сила поддержания, перпендикулярная новой действующей ватерлинии В₁Л₁ , будет направлена под углом θ к диаметральной плоскости. Линии действия первоначального и нового направлении силы поддержания пересекутся в точке m . Эта точка пересечения линии действия силы поддержания при бесконечно малом равнообъемном наклонении плавающего судна называется поперечным мета центром (metacentre).

Можно дать другое определение метацентру: центр кривизны кривой перемещения центра величины в поперечной плоскости называется поперечным мета центром.

Радиус кривизны кривой перемещения центра величины в поперечной плоскости называется поперечным мета центрическим радиусом (или малым метацентрическим радиусом) (Radius of metacentre). Он определяется расстоянием от поперечного метацентра m до центра величины С и обозначается буквой r .

Поперечный метацентрический радиус может быть вычислен с помощью формулы:

т. е. поперечный метацентрический радиус равен моменту инерции Ix площади ватерлинии относительно продольной оси, проходящей через центр тяжести этой площади, деленному на соответствующее этой ватерлинии объёмное водоизмещение V .

Условия остойчивости

Допустим, что судно, находящееся в прямом положении равновесия и плавающее по ватерлинию ВЛ, в результате действия внешнего кренящего момента Mкр накренилось так, что исходная ватерлиния ВЛ с новой действующей ватерлинией В₁Л₁ образует малый угол θ . Вследствие изменения формы погруженной в воду части корпуса распределение гидростатических сил давления, действующих на эту часть корпуса, также изменится. Центр величины судна переместится в сторону крена и перейдет из точки С в точку С₁ .

Сила поддержания D′ , оставаясь неизменной, будет направлена вертикально вверх перпендикулярно новой действующей ватерлинии, а ее линия действия пересечет ДП в первоначальном поперечном метацентре m .

Положение центра тяжести судна остается неизменным, а сила веса Р будет перпендикулярна новой ватерлинии В₁Л₁ . Таким образом, силы P и D′ , параллельные друг другу, не лежат на одной вертикали и, следовательно, образуют пару сил с плечом GK , где точка K – основание перпендикуляра, опущенного из точки G на направление действия силы поддержания.

Пара сил, образованная весом судна и силой поддержания, стремящаяся возвратить судно в первоначальное положение равновесия, называется восстанавливающей парой, а момент этой пары – восстанавливающим моментом Mθ .

Вопрос об остойчивости накрененного судна решается направлением действия восстанавливающего момента. Если восстанавливающий момент стремится вернуть судно в первоначальное положение равновесия, то восстанавливающий момент положителен, остойчивость судна также положительна – судно остойчиво. На рис. 2 показано расположение сил, действующих на судно, которое соответствует положительному восстанавливающему моменту. Нетрудно убедиться, что такой момент возникает, если ЦТ лежит ниже метацентра.

Рис. 2 Рис. 3

На рис. 3 показан противоположный случай, когда восстанавливающий момент отрицателен (ЦТ лежит выше метацентра). Он стремится еще больше отклонить судно из положения равновесия, т. к. направление его действия совпадает с направлением действия внешнего кренящего момента Mкр . В этом случае судно не остойчиво.

Теоретически можно допустить, что восстанавливающий момент при наклонении судна равен нулю, т. е. сила веса судна и сила поддержания располагаются на одной вертикали, как это показано на рис. 4.

Рис. 4

Отсутствие восстанавливающего момента приводит к тому, что после прекращения действия кренящего момента судно остается в наклоненном положении, т. е. судно находится в безразличном равновесии.

Таким образом, по взаимному положению поперечного метацентра m и Ц.Т. G можно судить о знаке восстанавливающего момента или, иными словами, об остойчивости судна. Так, если поперечный метацентр находится выше центра тяжести (рис. 2), то судно остойчиво.

Если поперечный метацентр расположен ниже центра тяжести или совпадает с ним (рис. 3, 4) судно не остойчиво.

Отсюда возникает понятие мета центрической высоты (Metacentric height): поперечной метацентрической высотой называется возвышение поперечного метацентра над центром тяжести судна в начальном положении равновесия.

Поперечная метацентрическая высота (рис. 2) определяется расстоянием от центра тяжести (т. G ), до поперечного метацентра (т. m ), т. е. отрезком mG . Этот отрезок является постоянной величиной, т. к. и Ц.Т. , и поперечный метацентр не изменяют своего положения при малых наклонениях. В связи с этим его удобно принимать в качестве критерия начальной остойчивости судна.

Если поперечный метацентр будет находиться выше центра тяжести судна, то поперечная метацентрическая высота считается положительной. Тогда условие остойчивости судна можно дать в следующей формулировке: судно остойчиво, если его поперечная метацентрическая высота положительна. Такое определение удобно тем, что оно позволяет судить об остойчивости судна, не рассматривая его наклонения, т. е. при угле крена равном нулю, когда восстанавливающий момент вообще отсутствует. Чтобы установить, какими данными необходимо располагать для получения значения поперечной метацентрической высоты, обратимся к рис. 5, на котором показано относительное расположение центра величины С , центра тяжести G и поперечного метацентра m судна, имеющего положительную начальную поперечную остойчивость.

Рис. 5

Из рисунка видно, что поперечная метацентрическая высота h может быть определена по одной из следующих формул:

Поперечная метацентрическая высота определяется зачастую с помощью последнего равенства. Аппликата поперечного метацентра Zm может быть найдена по метацентрической диаграмме. Основные трудности при определении поперечной метацентрической высоты судна возникают при определении аппликаты центра тяжести ZG , определение которой производится с использованием сводной таблицы нагрузки масс судна (вопрос рассматривался в статье – Плавучесть судна).

В иностранной литературе обозначение соответствующих точек и параметров остойчивости может выглядеть так, как указано ниже на рис. 6.

Рис. 6

K – точка киля;
B – центр величины (Centre of buoyancy);
G – центр тяжести (Centre of gravity);
M – поперечный метацентр (metacentre);
KB – аппликата центра величины;
KG – аппликата центра тяжести;
KM – аппликата поперечного метацентра;
BM – поперечный метацентрический радиус (Radius of metacentre);
BG – возвышение центра тяжести над центром величины;
GM – поперечная метацентрическая высота (Metacentric height).

Плечо статической остойчивости, обозначаемое в нашей литературе как GK , в иностранной литературе обозначается – GZ .

Остойчивость – это способность судна, выведенного внешним воздействием из положения равновесия, возвращаться в него после прекращения этого воздействия.

Элементы начальной поперечной остойчивости

Основной характеристикой остойчивости является восстанавливающий момент, который должен быть достаточным для того, чтобы судно противостояло статическому или динамическому (внезапному) действию кренящих и дифферентующих моментов, возникающих от смещения грузов, под воздействием ветра, волнения и по другим причинам. Кренящий (дифферентующий) и восстанавливающий моменты действуют в противоположных направлениях и при равновесном положении судна равны.

Различают поперечную остойчивость, соответствующую наклонению судна в поперечной плоскости (крен судна), и продольную остойчивость (дифферент судна).

Продольная остойчивость морских судов заведомо обеспечена и ее нарушение практически невозможно, в то время как размещение и перемещение грузов приводит к изменениям поперечной остойчивости.

При наклонении судна его центр величины (ЦВ) будет перемещаться по некоторой кривой, называемой траекторией ЦВ. При малом наклонении судна (не более 12°) допускают, что траектория ЦВ совпадает с плоской кривой, которую можно считать дугой радиуса r с центром в точке m (рис. 1).

Радиус r называют поперечным метацентрическим радиусом судна, а его центр m — начальным метацентром судна.

Метацентр – центр кривизны траектории, по которой перемещается центр величины С в процессе наклонения судна. Если наклонение происходит в поперечной плоскости (крен), метацентр называют поперечным, или малым, при наклонении в продольной плоскости (дифферент) – продольным, или большим. Соответственно различают поперечный (малый) r и продольный (большой) R метацентрические радиусы, представляющие радиусы кривизны траектории С при крене и дифференте.

Предлагается к прочтению: Элементы конструкции корпуса судна

Расстояние между начальным метацентром m и центром тяжести судна G называют начальной метацентрической высотой (или просто метацентрической высотой) и обозначают буквой h . Начальная метацентрическая высота является измерителем остойчивости судна.

h = z c + r – z g ; h z m ~ z c ; h = r – a ,

Метацентрическая высота (м.в.) – расстояние между метацентром и центром тяжести судна. М.в. является мерой начальной остойчивости судна, определяющей восстанавливающие моменты при малых углах крена или дифферента. При возрастании м.в. остойчивость судна повышается. Для положительной остойчивости судна необходимо, чтобы метацентр находился выше ЦТ судна. Если м.в. отрицательна, т. е. метацентр располагается ниже ЦТ судна, силы, действующие на судно, образуют не восстанавливающий, а кренящий момент, и судно плавает с начальным креном (отрицательная остойчивость), что не допускается.

Рис. 1 Элементы начальной поперечной остойчивости:
OG – возвышение центра тяжести над килем; OM – возвышение метацентра над килем; GM – метацентрическая высота; CM – метацентрический радиус; m – метацентр; G – центр тяжести; С – центр величины

Возможны три случая расположения метацентра т относительно центра тяжести судна G :

метацентр m расположен выше ЦТ судна G ( h > 0 ). При малом наклонении силы тяжести и силы плавучести создают пару сил, момент которой стремится вернуть судно в первоначальное равновесное положение;
ЦТ судна G расположен выше метацентра m ( h < 0 ). В этом случае момент пары сил веса и плавучести будет стремиться увеличить крен судна, что ведет к его опрокидыванию;
ЦТ судна G и метацентр m совпадают ( h = 0 ). Судно будет вести себя неустойчиво, так как отсутствует плечо пары сил.

Физический смысл метацентра заключается в том, что эта точка служит пределом, до которого можно поднимать центр тяжести судна, не лишая судно положительной начальной остойчивости.

Диаграмма статической остойчивости

Остойчивость судна при малых углах наклонения ( θ менее 12°) называется начальной, в этом случае восстанавливающий момент линейно зависит от угла крена.

Рассмотрим равнообъемные наклонения судна в поперечной плоскости. При этом будем полагать, что:

угол наклонения θ является небольшим (до 12°);
участок кривой СС₁ траектории ЦВ является дугой круга, лежащей в плоскости наклонения;
линия действия силы плавучести в наклонном положении судна проходит через начальный метацентр m .

При таких допущениях полный момент пары сил (сил веса и плавучести) действует в плоскости наклонения на плече GK , которое называется плечом статической остойчивости, а сам момент – восстанавливающим моментом и обозначается M_в .

Эта формула носит название метацентрической формулы поперечной остойчивости.

При поперечных наклонениях судна на угол, превышающий 12°, пользоваться вышеприведенным выражением не представляется возможным, так как центр тяжести площади наклонной ватерлинии смещается с диаметральной плоскости, а центр величины перемещается не по дуге окружности, а по кривой переменной кривизны, т. е. метацентрический радиус изменяет свою величину.

Для решения вопросов остойчивости на больших углах крена используют диаграмму статической остойчивости (ДСО), представляющую собой график, выражающий зависимость плеч статической остойчивости от угла крена (рис. 2).

Диаграмма статической остойчивости строится при помощи пантокарен – графики зависимости плеч остойчивости формы lφ от объемного водоизмещения судна и угла крена. Пантокарены конкретного судна строятся в конструкторском бюро для углов крена от 0 до 90 ° для водоизмещений от порожнего судна до водоизмещения судна в полном грузу (находятся на судне – таблицы кривых элементов теоретического чертежа).

Рис. 2 Зависимость плеч статической остойчивости от угла крена:
а – пантокарены; б – графики для определения плеч статической остойчивости l

Для построения ДСО необходимо:

на оси абсцисс пантокарен отложить точку, соответствующую объемному водоизмещению судна на момент окончания погрузки;
из полученной точки восстановить перпендикуляр и снять с кривых значения 1ф для углов крена 10, 20° и т. д.;
вычислить плечи статической остойчивости по формуле:

l = l ф – a * sin θ = l ф – ( Z g – Z c ) * sin θ ,

a = Z_g — Z_c (при этом аппликату ЦТ судна Zg находят из расчета нагрузки, отвечающую данному водоизмещению – заполняют специальную таблицу, а аппликату ЦВ Z_c – из таблиц кривых элементов теоретического чертежа);
построить кривую l₁ф и синусоиду α∗sinθ , разности ординат которых являются плечами статической остойчивости l .

Для построения диаграммы статической остойчивости на оси абсцисс откладывают углы крена 0 в градусах, а по оси ординат – плечи статической остойчивости в метрах (рис. 3). Диаграмму строят для определенного водоизмещения.

Рис. 3 Диаграмма статической остойчивости

На рис. 3 показаны определенные состояния судна при различных наклонениях:

положение I ( θ = 0° ) – соответствует положению статического равновесия ( l = 0 );
положение II ( θ = 20° ) – появилось плечо статической остойчивости ( 1 = 0,2 м);
положение III ( θ = 37° ) – плечо статической остойчивости достигло максимума ( I = 0,35 м);
положение IV ( θ = 60° ) – плечо статической остойчивости уменьшается ( I = 0,22 м);
положение V ( θ = 83° ) – плечо статической остойчивости равно нулю. Судно находится в положении статического неустойчивого равновесия, так как даже небольшое увеличение крена приведет к опрокидыванию судна;
положение VI ( θ = 100° ) — плечо статической остойчивости становится отрицательным и судно опрокидывается.

Начиная с положений, больших, чем положение III, судно будет не способно самостоятельно вернуться в положение равновесия без приложения к нему внешнего усилия.

Таким образом, судно остойчиво в пределах угла крена от нуля до 83°. Точка пересечения кривой с осью абсцисс, соответствующая углу опрокидывания судна ( 0 = 83° ) называется точкой заката диаграммы, а данный угол – углом заката диаграммы.

Максимальный кренящий момент M_кр_max , который может выдержать судно не опрокидываясь, соответствует максимальному плечу статической остойчивости.

Пользуясь диаграммой статической остойчивости, можно определить угол крена по известному кренящему моменту M₁ , возникшему под действием ветра, волнения, смещения груза и т. д. Для его определения проводят горизонтальную линию, выходящую из точки M₁ , до пересечения с кривой диаграммы, и из полученной точки опускают перпендикуляр на ось абсцисс ( θ = 26° ). Таким же образом решается и обратная задача.

По диаграмме статической остойчивости можно определить величину начальной метацентрической высоты (рис. 3), для нахождения которой необходимо:

из точки на оси абсцисс, соответствующей углу крена 57.3° (один радиан), восстановить перпендикуляр;
из начала координат провести касательную к начальному участку кривой;
измерить отрезок перпендикуляра, заключенный между осью абсцисс и касательной, который в масштабе плеч остойчивости равен метацентрической высоте судна.

Диаграмма динамической остойчивости

На практике часто на судно действует внезапно возникший динамический момент (шквал ветра, удар волны, лопнувший буксир и т. п.). Судно при этом получает динамический угол крена, хотя и кратковременный, но значительно превышающий крен, который мог бы возникнуть при статическом действии этого же момента.

Представим, что к судну, находящемуся в нормальном (прямом) положении внезапно приложен кренящий момент M_кр , под действием которого судно начнет крениться с постоянно нарастающей скоростью (с ускорением), т. к. в начальный период восстанавливающий момент M_в будет нарастать значительно медленнее M_кр . После достижения судном угла статического равновесия θ_СТ , т. е. когда M_кр = М_в , угловая скорость максимальна. Судно по инерции продолжает крениться, но уже с убывающей угловой скоростью (замедлением). Объясняется это тем, что M_в становится больше, чем M_кр .

В какой-то момент угловая скорость становится равной 0, накренение судна прекращается (судно «замрет» в нижней точке крена) и угол крена достигает своего максимума. Этот угол называется углом динамического крена θ_дин . Затем судно начнет возвращаться в первоначальное положение.

Под динамическим кренящим моментом, который обычно называют опрокидывающим моментом, понимают величину максимально приложенного к судну момента, которую оно может выдержать не опрокидываясь.

Динамической остойчивостью называют способность судна выдерживать динамическое воздействие кренящего момента.

Относительной мерой динамической остойчивости является плечо динамической остойчивости l_дин .

Кривую, выражающую зависимость работы восстанавливающего момента или плеча динамической остойчивости от угла крена, называют диаграммой динамической остойчивости (ДДО).

Графическое изображение диаграммы динамической остойчивости по отношению к диаграмме статической остойчивости дано на рис. 4, из которого видно, что:

точки пересечения диаграммы статической остойчивости с осью абсцисс отвечают точкам О и D экстремума диаграммы динамической остойчивости;
точка А максимума диаграммы статической остойчивости соответствует точке перегиба С диаграммы динамической остойчивости;
любая ордината диаграммы динамической остойчивости, отвечающая некоторому углу крена θ , представляет в масштабе соответствующую этому углу крена площадь диаграммы статической остойчивости (заштрихована на рисунке).

Обычно в судовых условиях строят диаграмму динамической остойчивости по известной диаграмме статической остойчивости, схема вычислений плеч динамической остойчивости приведена на рис. 5:

Рис. 5 Вычисление плеч динамической остойчивости

При построении диаграммы динамической остойчивости (рис. 6) по результатам вышеприведенной таблицы динамический кренящий момент принимают постоянным по углам крена. Следовательно, его работа находится в линейной зависимости от угла θ , а график произведения ƒ(θ) = 1_кр*θ изобразится на диаграмме динамической остойчивости прямой наклонной линией, проходящей через начало координат. Для ее построения достаточно провести вертикаль через точку, отвечающую крену в 1 радиан и отложить на этой вертикали заданное плечо 1_кр . Прямая, соединяющая таким образом точку Е с началом координат О представит искомый график ƒ(θ) =1_кр*θ , т. е. график работы кренящего момента, отнесенный к силе веса судна P . Эта прямая пересечет диаграмму динамической остойчивости в точках А и В . Абсцисса точки А определяет угол динамического крена θ , при котором имеет равенство работ кренящего и восстанавливающего моментов. Точка В практического значения не имеет.

Рис. 6 Диаграмма динамической остойчивости

Если построенный таким образом график произведения l_кр*θ вообще не пересекает диаграмму динамической остойчивости, то это означает, что судно опрокидывается.

Для нахождения опрокидывающего момента, который еще может выдержать судно не опрокидываясь, следует провести из начала координат касательную к диаграмме динамической остойчивости до пересечения ее в точке D с вертикалью, соответствующей крену в 1 радиан. Отрезок этой вертикали от оси абсцисс до пересечения ее с касательной дает плечо опрокидывающего момента 1_опр , а сам момент определится умножением плеча 1_опр на силу веса судна P . Точка касания С определит предельный угол динамического крена θ_{дин.преп} .

Критерии остойчивости

Правила Регистра ввели следующие критерии остойчивости для всех транспортных судов длиной 20 м и более:

Критерий сильного ветра и бортовой качки (погоды) K должен быть более или равен единице, т. е. отношение опрокидывающего момента M_опр к моменту кренящему M_кр больше или равно 1;
максимальное плечо диаграммы статической остойчивости должно быть не менее 0,25 м для судов длиной L < 80 м и не менее 0,20 м для судов длиной L > 105 м при угле крена 0 > 30° . Для промежуточных длин судна величина l_max определяется линейной интерполяцией;
угол крена, при котором плечо остойчивости достигает максимума, должен быть не менее 30°;
угол заката диаграммы статической остойчивости должен быть не менее 60°;
исправленная начальная метацентрическая высота h должна быть не менее 0,15 м;
критерий ускорения K* должен быть не менее единицы. Критерий ускорения рассчитывается при вариантах сложной загрузки судна, либо при частичной или полной загрузке трюмов грузами с малым удельным погрузочным объемом (свинец и т. п.).

На всех транспортных судах имеется компьютерная программа для расчета посадки, прочности и остойчивости конкретного судна. Эта программа подвергается освидетельствованию Регистром и только после ее одобрения может использоваться как грузовой инструмент.

Для судов, плавающих в зимнее время в зимних сезонных зонах, помимо основных вариантов нагрузки, должна быть проверена остойчивость с учетом обледенения. При расчете обледенения Борьба с обледенением судна следует учитывать изменения водоизмещения, возвышения центра тяжести и площади парусности от обледенения. Расчет в отношении остойчивости при обледенении должен проводиться для наихудшего, в отношении остойчивости расчетного варианта нагрузки. Масса льда при проверке остойчивости для случая обледенения засчитывается в перегрузку и не включается в состав дедвейта судна. Массу льда на квадратный метр площади общей горизонтальной проекции открытых палуб следует принимать, согласно требований Регистра, равной 30 кг. В общую горизонтальную проекцию палуб должна входить сумма горизонтальных проекций всех открытых палуб и переходов независимо от наличия над ними навесов. Момент по высоте от этой нагрузки определяется по возвышению центра тяжести соответствующих участков палубы и переходов. Массу льда на квадратный метр площади парусности следует принимать равной 15 кг.

Расчет остойчивости, позволяет плавсредству регулировать равновесие и противостоять воздействующим на него внешним факторам, которые могут вызвать крен или дифферент. Помимо общих для всех судов причин, приводящих в ряде случаев к потере поперечной остойчивости (т. е. действия ветра, волнения, обледенения Борьба с обледенением судна , движения на циркуляции и т. д.), буксирные суда могут быть опрокинуты в результате специфического кренящего воздействия — статически или динамически приложенного усилия со стороны буксирного троса, направленного под некоторым углом к ДП. Это может быть вызвано зарыскиванием по той или иной причине буксируемого объекта, неудачным маневрированием, несогласованностью действий судов участников буксировочной операции и другими обстоятельствами, известными из практики эксплуатации и анализа характерных аварий буксирных судов.

Регистр, Речной Регистр и ряд иностранных классификационных органов (в частности, в странах-участницах СЭВ) требуют не только обеспечения остойчивости буксирных судов по «критерию погоды» (т. е. по ветро-волновому воздействию) и надлежащим характеристикам диаграммы статической остойчивости, но и выполнения дополнительного, свойственного только буксирным судам, условия сохранения достаточной остойчивости при рывке буксирного троса. Однако подход к обеспечению последнего требования совершенно различен для морских линейных и многоцелевых буксиров и океанских буксиров-спасателей, с одной стороны, и для портовых буксиров-кантовщиков, а также речных буксиров — с другой.

Действительно, в настоящее время, как указывалось выше, в мировом буксирном флоте наблюдается довольно четкая специализация судов, которая соответствует общей тенденции к специализации флота. Современные буксирные суда проектируются и строятся либо для работы преимущественно в море (главным образом океанские буксиры-спасатели и другие морские буксиры), либо для эксплуатации в ограниченных, защищенных акваториях. Эти две категории буксиров существенно различаются по условиям эксплуатации, а следовательно, и по мореходным качествам. Большое значение имеет бортовая качка, тесно связанная с остойчивостью судна.

Практика расследования случаев опрокидывания буксиров при рывке троса показывает, что, как правило, происходило заливание внутренних помещений судна через одно из отверстий в бортах или на палубе (двери горловины, люки и т. п.), которые при буксировке на тихой воде по разным причинам оказывались открытыми. В результате буксир либо полностью терял плавучесть и шел ко дну, либо из-за кренящего действия влившейся воды крен его значительно возрастал и наступало опрокидывание.

Для удовлетворения требований Правил к остойчивости портовых буксиров-кантовщиков, а также относительно небольших буксиров общего назначения и внутреннего плавания, т. е. всех буксиров, эксплуатирующихся в основном на тихой воде, необходимо стремиться к обеспечению возможно больших значений поперечной метацентрической высоты и угла заливания, определенного в предположении, что все перечисленные выше отверстия открыты. В результате угол крена буксира при рывке уменьшится, а его заливание — отдалится.

В то же время требование об увеличении начальной остойчивости в ряде случаев оказывается совершенно неприемлемым для мореходных буксиров. Высокая начальная остойчивость приводит к снижению периода и коэффициента гашения бортовой качки с одновременным сдвигом зоны ее резонанса (т. е. значительного возрастания амплитуд) в область относительно коротких, наиболее часто встречаемых судном волн. Эти обстоятельства, усугубляемые к тому же относительно слабым ходовым демпфированием бортовой качки из-за низких скоростей буксировки, самым отрицательным образом сказываются на эксплуатации мореходных буксиров. Так, шведские буксиры-спасатели Морские буксирные суда, классификация и виды Памир, мощностью 4 200 л. с., имея начальную метацентрическую высоту до 1,9 м, уже на 3—4 балльном волнении испытывают интенсивную, резкую бортовую качку, существенно затрудняющую их работу, в особенности при отсутствии хода, т. е. в наиболее ответственный момент оказания помощи аварийным судам.

В штормовых условиях все отверстия, через которые может происходить заливание судна, будут задраены, поэтому для мореходных буксиров опасным режимом является не заливание, а опрокидывание. Сущность требований Регистра (согласованных с требованиями стран-участниц СЭВ) к остойчивости таких судов состоит в обеспечении умеренной начальной остойчивости и в компенсации соответствующей потери площади диаграммы статической остойчивости на начальном участке дополнительной площадью за счет возрастания допускаемого угла наклонения (угол опрокидывания, как правило, значительно выше угла заливания; рис. 1).

Рис. 1 Диаграммы статической остойчивости. 1 – портовый буксир; 2 – мореходный буксир. Заштрихованы площади диаграмм, соответствующие наклонению на предельно допустимый угол

Таким образом, диаграммы статической остойчивости «немореходных»* и мореходных буксиров оказываются в принципе различными: в первом случае они характеризуются высокой начальной остойчивостью и обрываются при некотором угле заливания, во втором — так называемой S-образностью, т. е. умеренной начальной метацентрической высотой и большей протяженностью «рабочего участка», ограничиваемого углом опрокидывания, за который в нормах остойчивости принят угол максимума диаграммы.

*Под «немореходными» буксирами здесь и далее, в соответствии со сказанным выше, понимаются буксиры, не предназначенные для преимущественной работы в море со значительным удалением от порта-убежища. Большинство буксиров относится именно к «немореходным».

Протяженность же диаграммы, как положение и величина ее максимума, в любом случае должна удовлетворять общим требованиям Правил.

Предлагается к прочтению: Способы применения буксиров

Кроме снижения начальной метацентрической высоты уменьшению качки (и тем самым лучшему удовлетворению как критерию рывка буксирного троса, так и общему «критерию погоды») способствует установка на буксире скуловых килей. Удачно спроектированные кили практически не снижают ходкости буксира и могут в некоторых случаях уменьшить амплитуду бортовой качки на 25—40%. Площадь скуловых килей обычно составляет 1—3% от произведения LT.

Критерий остойчивости по рывку буксирного троса зависит не только от характеристик диаграммы статической остойчивости буксира, но и в значительной мере — от размещения на судне точки приложения усилия со стороны буксирного троса (буксирного гака, канифас-блока, буксирной лебедки, ограничителей положения каната и т. п.) по длине и высоте. Понижение этой точки и смещение ее в корму оказывают положительное влияние на
остойчивость буксира при рывке, однако сдвиг в корму ухудшает управляемость при буксировке. Изменение высоты гака существенно влияет на критерий остойчивости лишь тогда, когда гак расположен достаточно близко к центру тяжести судна; если же он расположен на значительной высоте, то его сравнительно небольшие перемещения мало влияют на угол крена буксира, а следовательно, и на критерий остойчивости. Положение гака по длине буксира значительно влияет на угол крена, лишь если гак расположен достаточно далеко в корму от центра тяжести буксира (относительная абсцисса X_r/L составляет 0,25—0,5). Эти положения подтверждаются модельным и натурным экспериментом.

Удовлетворение тем или иным нормативам остойчивости не предотвращает опрокидывания, а создает лишь определенную вероятность безопасной эксплуатации при нормальных условиях плавания, позволяя сопоставить между собою различные суда. Так, существующие нормативы, основанные на работах В. М. Быкова и В. М. Лаврентьева учитывают схему поперечного рывка буксирного троса. Однако значительно опаснее, как показано теми же авторами, «косой» рывок, уравнения которого из-за своей сложности до сих пор не получили разрешения, вследствие чего отсутствует и соответствующее нормирование остойчивости. Этот режим должен быть полностью исключен из практики эксплуатации буксирных судов. Важную роль должна сыграть «Информация об остойчивости буксирного судна для капитана Составляющие водоизмещения и положение центра тяжести ». В ней должны быть указаны меры предосторожности, а также роль привходящих факторов (заливание палубы, влияние просадки судна, характеристик буксирного каната, фальшборта, положения рулей или поворотных насадок и т. д.).

*Под «немореходными» буксирами здесь и далее, в соответствии со сказанным выше, понимаются буксиры, не предназначенные для преимущественной работы в море со значительным удалением от порта-убежища. Большинство буксиров относится именно к «немореходным».

Правила Регистра ввели следующие критерии остойчивости для всех транспортных судов длиной 20 м и более:

1) критерий погоды К должен быть более или равен единице, т. е. отношение опрокидывающего момента Мопр к моменту кренящему Мкр больше или равно 1;

2) максимальное плечо диаграммы статической остойчивости должно быть не менее 0,25 м для судов длиной L < 80 м и не менее 0,20 м для судов длиной L >105 м при угле крена θ > 30°. Для промежуточных длин судна величина lmax определяется линейной интерполяцией;

3) угол крена, при котором плечо остойчивости достигает максимума, должен быть не менее 30°;

4) угол заката диаграммы статической остойчивости должен быть не менее 60°;

5) начальная метацентрическая высота h при всех вариантах нагрузки, за исключением судна порожнем, должна быть положительной. Случай отрицательной h для варианта нагрузки «судно порожнем» является в каждом случае предметом специального рассмотрения Регистром;

6) критерий ускорения К* должен быть не менее единицы. Критерий ускорения рассчитывается при вариантах сложной загрузки судна, либо при частичной или полной загрузке трюмов грузами с малым удельным погрузочным объемом (свинец и т. п.).

Порядок расчета критериев остойчивости приведен в «Правила классификации и постройки морских судов». Том.1, часть IV «Остойчивость».

Остойчивость с учетом обледенения

Массу льда на квадратный метр площади общей горизонтальной проекции открытых палуб следует принимать, согласно требований Регистра, равной 30 кг. В общую горизонтальную проекцию палуб должна входить сумма горизонтальных проекций всех открытых палуб и переходов независимо от наличия над ними навесов.
Момент по высоте от этой нагрузки определяется по возвышению центра тяжести соответствующих участков палубы и переходов.

называется способность судна, отклоненного внешним моментом от положения равновесия, возвращаться в исходное положение равновесия после устранения момента, вызвавшего отклонение. Различают остойчивость на малых углах наклонения, или начальную остойчивость, и остойчивость на больших углах наклонения.

Элементы начальной поперечной остойчивости

Диаграмма статической остойчивости судна

Остойчивость судна при малых углах наклонения (θ менее 120) называется начальной, в этом случае восстанавливающий момент линейно зависит от угла крена.
Рассмотрим равнообъемные наклонения судна в поперечной плоскости.

Диаграмма динамической остойчивости

Критерии остойчивости

Правила Регистра ввели следующие критерии остойчивости для всех транспортных судов длиной 20 м и более:
1) критерий погоды К должен быть более или равен единице, т. е. отношение опрокидывающего момента Мопр к моменту кренящему Мкр больше или равно 1;

Обеспечение продольной прочности судна

При погрузке или выгрузке груза корпус судна будет подвержен изгибу.
Общей прочностью корпуса судна называется прочность судна при общем продольном изгибе. При прогибе палуба оказывается сжатой, а днище растянутым, при перегибе - наоборот.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: