Обеспечение безопасности морской буксировки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Морские буксировки относят к особым случаям морской практики, так как этот вид работы связан с весьма сложным маневрированием при самых разнообразных обстоятельствах и при условии управления объектом, состоящим из двух или более судов. Имеется несколько способов расположения буксирующих судов и буксируемых объектов.

Буксировка в кильватер осуществляется при морских и дальних океанских плаваниях; буксировка борт о борт в портах, на хорошо защищенных от морской волны акваториях; буксировка толканием преимущественно на реках и озерах. В настоящее время буксировка толканием стала применяться и на море. Сочлененные барже - буксирные составы, состоящие из очень больших (дедвейтом примерно 10000 т), оборудованных высокими стойками барж и мощных буксиров с устройством для соединения с баржей в носовой части, используются для перевозок круглого леса из советских дальневосточных портов в Японию.

Буксирный караван может состоять из двух судов - - буксирующего и буксируемого, либо из нескольких буксирующих судов и одного крупного плавучего объекта, либо из мощного буксирного судна и состава из нескольких буксируемых плав. средств.

По назначению буксировки могут быть плановыми и случайными (вынужденными).

Плановая буксировочная операция готовится заранее, и объект буксировки (несамоходное судно, плавкран, плавдок, буровая вышка и другие плавучие сооружения) оборудуется специальными устройствами и техническими средствами, а все предварительные расчеты по буксировке и рекомендации капитанам буксирного каравана готовятся специалистами научных учреждений ММФ и опытными капитанами.

Морские и океанские буксировки в кильватер за кормой на буксирном канате. Подобные буксировки выполняют после тщательной подготовки, в которую входят: проработка рейса с учетом гидрометеорологических факторов, оборудование каравана буксирными принадлежностями, техническими средствами, необходимыми для обеспечения безопасности буксирной операции (линеметательные установки, средства аварийной связи, спасательные средства). В таких случаях используют мощные буксирные судна с неограниченным районом плавания или транспортные суда, которые дополнительно оборудуют средствами для крепления буксирных тросов либо используют для этой цели штатное оборудование, расположенное в кормовой части судна. К плановым буксирным операциям чаще всего привлекают буксиры-спасатели и ледоколы.

Дальними морскими и океанскими экспедиционными буксировками, при организации и проведении которых должны выполняться определенные условия, считаются следующие: при экспедициях из портов Баренцева и Белого морей по Северному морскому пути и за меридиан мыса Нордкап; из Балтийского моря за линию мыс Скаген - - мыс Линнеснес и через Кильский канал за Брунсбюттельког; из Черного и Азовского морей за проливы Босфор и Дарданеллы; из Дальневосточных портов на расстояние более 1000 миль между портами Дальнего Востока, на юг -- за Корейский пролив, на север -за Берингов пролив, а также на восток с удалением в Тихий океан более 1000 миль от берега.

Условия, которые должны выполняться во время дальних морских и океанских экспедиционных буксировок, установлены рядом документов Минморфлота РФ, Госкомгидромета и других государственных органов. В числе основных условий определены сроки буксировочных экспедиций по времени года, типы буксируемых объектов (суда, плавучие доки, плавучие краны), мореходность буксируемых объектов (например, объекты, мореходность которых менее 4 баллов по волнению моря, к буксировкам не принимаются), рекомендованные районы плавания и др.

Вынужденные буксировки аварийных судов могут выполняться буксирами-спасателями экспедиционного отряда АСПТР или транспортными судами, находящимися вблизи бедствующего судна. Капитан буксирующего судна на месте принимает решение о способе крепления буксирного троса, его длине, скорости движения каравана и выборе пути следования.

1. Буксировка

1.1 Теория морской буксировки

Задача обеспечения безопасности морской буксировки может быть разделена на два аспекта: определение безопасной скорости буксировки и натяжения троса на спокойной воде и исследование периодического движения судов на волнении (дающее возможность определить размеры буксирного троса с учётом этого движения).

В условиях штормовой погоды случается так, что буксирующее и буксируемое судно не будут двигаться вперёд, хотя винт буксирующего судна и развивает максимальный упор. В этот момент натяжение буксирного троса может быть равно (max) упору винта, который будет равен упору винта на швартовах. Этот случай натяжения буксирного троса справедлив при постоянном натяжении,что, однако, в морской практике встречается довольно редко. Иногда в условиях работы на тихой воде в буксирном тросе могут возникать усилия больше, чем тяга на швартовах. Такие усилия возникают при неравномерной работе машин буксирующего судна, рыскании буксирующего судна и буксируемого, резкое волочение с места в начале буксировки, резком повороте буксирующего судна, при резком налёте ветра. Но кроме этих причин при плавании на взволнованном море или на мёртвой зыби в буксирном тросе могут возникать усилия, которые во много раз превышают средние нормальные значения тяги. Это объясняется тем, что при плавании против волны, по волне или косвенным курсом к волне, буксируемое и буксирующее судно участвуют в орбитальном движении частиц воды, то сближаются между собой, то удаляются друг от друга, вследствие чего натяжение буксирного троса все время изменяется.

1.2 Условия при буксировке

Зачастую оба судна имеют значительную и близкую по значению массу, что при ограниченной длине буксирной линии и невозможности оперативно изменять её длину, особенно в штормовых условиях, может привести к большим динамическим нагрузкам, на буксирный трос. Необходимо своевременно снижать тяговые усилия буксировки, уменьшать скорость движения, изменять курс относительно направления ветра, бега волны, чтобы максимально снизить отрицательное волнение орбитального движения обоих судов. Для этого длина буксирной линии должна обеспечивать расстояние между судами, кратное длине волны. Нельзя допускать рыскливости буксируемого судна, так как это может послужить причиной значительных разрывов буксирной линии. Снизить рыскливость возможно работой руля на буксируемом судне, его дифферентовкой, выбором оптимальной скорости судна, курса, длины буксирной линии. Здесь необходимо избегать резких поворотов. При подходах к узкостям для лучшей управляемости каравана можно своевременно укоротить буксирный трос до 150-200 м, предварительно остановив движение судов. Следует иметь в виду, что при остановке на больших глубинах возможно сближение судов, под тяжестью буксирного троса. Остановка на малых глубинах безопасна, так как трос ложится на грунт, затормаживая движение судов.

1.3 Определение параметров буксирного троса

Максимальное натяжение буксирной линии за счёт орбитального движения буксировщика и объекта на волнение может достигать (1/6) водоизмещения наименьшего из судов. Поэтому крупнотоннажные объекты предпочтительно буксировать буксирами - спасателями, имеющими меньшую массу при их достаточной мощности. Для уменьшения влияния динамических нагрузок на буксирную линию она должна иметь такую длину, которая обеспечивала бы расстояние между буксировщиком и буксируемым объектом, кратное длине волны. При этом суда будут одновременно всходить на волну, значительно уменьшая вероятность рывков.

Динамические нагрузки на буксирную линию, возникающие при волнении, могут компенсироваться упругой деформацией троса за счёт его провеса, либо с помощью вставок из синтетических тросов длиной 50-100 м. Необходимый провес достигается не уменьшением, а удлинением рабочей длины буксирного троса или его утяжелением 2-3 смычками цепной вставки, закреплённой на буксируемом объекте. Следует знать, что при составной буксирной линии все части её должны быть равнопрочными. Для смягчения отрицательного воздействия рывков при волнении, провес буксирной линии должен допускать изменение расстояния между буксировщиком и буксируемым объектом, равное половине высоты волны. Однако излишняя длина буксирного троса и чрезмерный провес его значительно увеличивает сопротивление движению, снижают скорость и управляемость каравана: а) стрелка провеса буксирной линии:

а) стрелка провеса буксирной линии:

l ~ длина буксирной линии (м)

P - масса погонного метра (из таблиц)

Fбукс- тяговое усилие (кг* с)

Если известен угол а между направлением буксирного троса, идущего в воду гакаборта буксировщика и направлением на точку опоры на буксируемом объекте, то:

f =(l/4) *tga

Средняя часть буксирного троса при его достаточном провесе должна находиться в воде, что свидетельствует о «мягкой» работе троса. При выходе из воды средней части, трос начинает испытывать динамические нагрузки, поэтому следует увеличить длину буксирной линии, уменьшив тяговую мощность буксировщика, снизить скорость буксировки, сохраняя при этом управляемость каравана. Если же в штормовых условиях открытого моря с увеличением длины буксирного троса и уменьшением скорости буксировки не удается снизить динамические нагрузки на буксирный трос, то рекомендуется изменить курс каравана относительно волны на наиболее благоприятный, при котором буксирный трос испытывал бы минимальные рывки. При ограниченных глубинах надлежит контролировать провес буксирного троса, чтобы не допустить касания им грунта, что приведет к зацепу, перетиранию и обрыву троса, а также к потере скорости и управляемости.

Буксирную линию, все узлы и детали буксирного устройства необходимо постоянно контролировать на всем переходе, тщательно проверять при всякой возможности и обязательно перед подходом к узкостям, выходом в океан, с наступлением плохой погоды. Все элементы буксирной линии, соприкасающиеся с деталями корпуса буксировщика и объекта, необходимо предохранять от перетерания клетневанием, прокладкой плотной парусины, толстой парусины резины, деревянными выкладками. С этой же целью буксирный трос ежедневно перетравливается на длину, равную 1м. Особой проверке подлежат узлы и детали буксирной линии, соединяющие отдельные её элементы. Практикой выработано типовое «меню» при соединениях троса с буксирным объектом, в зависимости от конструктивных особенностей, длительного перехода.

Длина буксирного троса для морской буксировки должна быть такой, чтобы:

кильватерная струя буксира не оказывала тормозящего действия на буксируемое судно;

управляемость буксируемого судна была удовлетворительной;

провес и упругая деформация были достаточными для смягчения рывков буксирного каната, которые возникают вследствие качки, рыскания судов и т.д.;

было возможно сводное орбитальное движение обоих судов на волнении.

Натурные испытания по определению мощности буксировки показывают, что при длине буксирного троса 3L (L - длина буксирующего судна), продольная составляющая в кильватерной струе оказывает настолько малое влияние, что им можно пренебречь. По длине буксирного троса менее 2L влияние кильватерной струи становится довольно заметным. Во время буксировки в море неизбежны рывки троса. Причинами таких динамических нагрузок являются удары волн, рыскание и резкие изменения скоростей движения буксирующего и буксируемого судов, качка и т.п.

Последнее и самое главное, что требуется от буксирной линии, - это свобода орбитального движения судов при плавании на волнении. Для выполнения этого условия необходимо обеспечить горизонтальное перемещение судов от какого-то среднего положения в обе стороны на расстояние , равное половине высоты волны, а общее перемещение, которое будут иметь оба судна, должно равняться высоте волны 2a=hb. Кроме того, должна быть известна горизонтальная проекция натяжения буксирного каната, равная тяге на гаке. При таких условиях можно определить степень расхождения судов вследствие изменения формы буксирной линии и её упругих деформаций.

1.4 Выбор буксирных линий

Изменение расстояния между буксирующим и буксируемым судами зависит от весовой и упругой «игры» буксирного троса. Рассчитав полное сопротивление буксируемого судна с учётом сопротивления буксирного троса, можно найти рабочую длину стального буксирного троса, при которой обеспечивается горизонтальное перемещение судов на расстояние, численно равное высоте волны, по эмпирической формуле:

где Fг - тяга на гаке (полное сопротивление буксируемого судна и буксирного троса), кН;

he - высота волны, м;

kj - коэффициент «игры» буксирного троса.

Удлинение расстояния между судами при буксировке может быть достигнуто:

а) упругими деформациями буксирного каната;

б) распрямлением цепной линии, по которой располагается буксирный канат во время буксировки;

в) одновременными упругими деформациями и растяжениями цепной линии каната;

г) введением в буксирную линию автоматической буксирной лебёдки.

Буксирные тросы всех видов надо рассматривать с точки зрения того насколько они удовлетворяют требованиям свободного орбитального движения судов при плавании на волнении.

Из теории цепной линии следует, что провес цепной линии прямо пропорционален массе троса. Значит, при одинаковом натяжении чем больше линейная плотность буксирного троса, тем больше разница между l и х.

Рис. 5.2.1 Длина l и провес f буксирной линии

Для облегчения работы с тросами и получения достаточного провеса, что необходимо для расхождения судов на волнении, применяют комбинированные буксирные линии. Сам выбор буксирной линии состоит из определения её размеров, при которых она сохраняет свою прочность. Если же невозможно полностью удовлетворить условия буксировки конструкцией буксирной линии, то полученные в результате расчёта значения позволяют выбрать метод буксировки путём изменения курса, или изменением скорости движения, или комбинированно.

Если выбор элементов буксирной линии возможен, то в зависимости от условий плавания определяют:

а) тягу на гаке на тихой воде и штормовом ветре;

б) разрывное усилие элементов буксирной линии умножением тяги на гаке на коэффициент запаса прочности;

в) используя справочник по разрывному усилию - элементы буксирной линии;

г) длину буксирной линии;

д) сравнивают игру буксирной линии с высотой волны в районе предстоящего плавания;

Если же расчёты оказались неудовлетворительными, выбирают другую буксирную линию (здесь в расчёте буксирной линии за исходную величину берут максимальный упор винта);

Если выбор буксирной линии ограничен, то выбирают длину буксирной линии исходя из длин имеющихся на буксируемом и буксирующем судах (где определяют случайные нагрузки на буксирную линию за счёт деления «разрывного усилия» буксирного каната на «2» и рабочую нагрузку делением её на коэффициент запаса прочности).

Как было выше упомянуто, для удобства работы с тросами и для получения достаточно большого провеса, обеспечивающего необходимое удлинение буксирной линии на волнение, стали применять комбинированные буксирные линии.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5.2.2 Типы буксирных линий

1- стальной трос

2- якорная цепь

3-синтетический трос

Для облегчения работы с тросами и получения достаточно большого провеса применяют комбинированные буксирные линии.

На рис. 5.2 (верхний) представлена комбинированная буксирная линия, при которой буксирный трос прикреплен к якорной цепи и несколько смычек вытравлено за борт. Этот метод весьма распространен. Его преимущества заключаются в следующем: буксирный канат удобно крепится на буксируемом судне; можно и удлинить, и укоротить буксирную линию; тяжелый участок цепи дает сравнительно большую стрелу провеса, которую можно увеличить , не отклепывая от цепи якоря, а закрепив за его скобу буксирный трос и стравив якорную цепь вместе с якорем.

На рис. 5.2 (нижний) дан другой вид комбинированной буксирной линии, где от буксируемого судна примерно до середины линии идет синтетический трос, а далее до буксирующего судна - стальной трос. Такая комбинация может быть применена в случае, если необходимо использовать то буксирное снабжение, которое есть на судах. Введение в буксирную линию растительного или синтетического троса, с упругостью, значительно большей, чем упругость стального троса, делает такую комбинацию приемлемой.

Преимущество этого метода в том, что при сравнительно небольшой стреле провеса обеспечивается хорошее упругое удлинение. Нет необходимости укорачивать буксирную линию при прохождении по небольшим глубинам. Введение буксирную линию автоматической лебедки удовлетворяет основному требованию морской буксировки по обеспечению свободного орбитального движения судов при плавании на волнении. Имея тягу, равную упору винта, буксирная лебедка в случае превышения на буксирном тросе предусмотренного усилия начинает травить буксирный трос, и наоборот, когда усилие уменьшается, выбирает его слабину.

2. Определение скорости буксировки и прочности буксира на тихой воде

2.1 Определение тяги винта буксирующего судна

Pe=4400 * Ne/Hn;

Ne=0,87* Ni

- индикаторная мощность ГД в л.с.( где Ni=12000 л.с.)

Н=4,15м - шаг винта

n=120 об/мин - число оборотов винта за 1 мин.

10440

Pe =4400 * ---------- = 92240 кг * с (6.1)

4,15 * 120

2.2 Определение сопротивления воды движению буксирующего судна

R0=6*0 *V2 (6.2)

Здесь мы берём скорость в интервале (2уз-14уз)

0=*Т*В=0,99*12,6 *32,0=399,1 м2 (6.2.1)

Т - осадка судна;

В - ширина судна на миделе, м;

b - коэффициент полноты площади мидель-шпангоута.

Сопротивление воды движению буксирующего судна Таблица 6.1

Vуз	2	4	6	8	10	12	14
R(кг.с)
R01	2530,5
R02		10122,3
R03			22775,1
R04				40489,1
R05					63264,3
R06						91100,7
R07							123998,1

2.3 Определение сопротивления воды движению буксируемого судна

буксировка морской кильватер канат караван

Сопротивление буксируемого судна отличается от сопротивления буксирующего судна значением сопротивления от застопоренного винта в воде, где общее сопротивление RБ = 6 * V+Rзв (6.3)

б= b*T*B = 0,97*10,8*26,0=272,3 м2 (6.3.1)

где b- коэффициент полноты площади мидель- шпангоута

Rзв=2,24*dв2*Vб2 (6.4)

Где d - диаметр винта буксируемого судна.

Высчитываем сопротивление застопоренного винта при различных скоростях :

Таблица значений сопротивления от застопоренного винта Rзв

Таблица 6.2

Vуз	2	4	6	8	10	12	14
Rзв
Rзв1	85,2
Rзв2		340,8
Rзв3			766,9
Rзв4				1363,5
Rзв5					2130,4
Rзв6						3067,8
Rзв7							4175,7

Таблица суммарного сопротивления воды движению буксируемого судна

Таблица 6.2.1

Vуз	2	4	6	8	10	12	14
RБ
RБ1	1811,7
RБ2		7247
RБ3			16306
RБ4				28988,6
RБ5					45294,7
RБ6						62156,6
RБ7							88777,8

После того, как мы, используя формулу (4.4), меняя скорости в диапозоне 2 уз-14уз нашли сопротивление застопоренного винта и добавили его общему сопротивлению буксируемого судна. Далее мы строим таблицу и на основании её строим график, где будет необходимо определить усилие на гаке и max V самой буксировки. Общая таблица сопротивлений.

Таблица 6.3

Vуз	2	4	6	8	10	12	14
R(кг.с)
R0	2530,5	10122,3	22775,1	40489,1	63264,3	91100,7	123998,1
Rзв	85,2	340,8	766,9	1363,5	2130,4	3067,8	4175,7
RБ+ зв	1811,7	7247	16306	28988,6	45294,7	62156,6	88777,8
Rсумм	4427,4	17710,1	39848	70841,2	110689,4	156325,1	216951,6
V м/с	1,02	2,05	3,08	4,1	5,1	6,1	7,2



Построив графики сопротивлений, определим максимально возможную скорость буксировки Vniax, для чего на оси ординат (сопротивление воды движению судна) отмечаем точку «а», соответствующую тяге винта Ре , определяемую по формуле Pe=4400 * (Ne/Hri), из точки «а» проводим линию параллельную оси абсцисс до пересечения с кривой R суммарного сопротивления. Получаем точку «в». Из точки «в» опускаем перпендикуляр на ось абсцисс , где отмечаем точку «с». Отрезок «Ос» соответствует максимальной скорости буксировки. Vmax =9,9 уз.

Далее определяем диаметр буксирного троса по ГОСТу 3089-80. для этого надо знать разрывные усилия троса

Рраз=Рг*К

К-коэффициент запаса прочности:

К=5,0 при Р г < 10000 кг -с

К=3,0 при Р г > ЗОООО кг-с

Рразр=3*51тс=153000кг-с

Из ГОСТа 3089-80 при временном сопротивлении 150 кгс/мм2, и при нашем усилии 153 ориентируясь на 164500 кг-с, выбираем диаметр буксировочного троса, который соответствует 68,5 мм, один метр такого троса равен 14 кг (или более точно 14,2 кг), приём буксирного троса соответствует 150м, но здесь принимаем длину одной смычки цепи и его вес на один погонный метр в таблице.

Здесь возможно рассчитать вес 1 п.м. смешанной буксирной линии :

Р=Рц*1ц+Ртр*1тр/(1ц+1тр) (6.5)

Рц - вес 1 п.м. цепи т. «Механик Юрьев»

Lц - 1 смычка=8 м.

Рmp - вес 1 п.м. цепи т. «Г. Севастополя»

Lmp- 332 м.

Свободное изменение расстояния между судами или «игра» буксирной линии зависит главным образом от:

а) относительного удлинения троса;

б) от величины упругой деформации.

Прежде всего, нам необходимо найти минимально допустимую длину троса:

Рг - усилие на гаке;

he - высота волны при 6 баллах (0-0,75м);

К - коэффициент игры троса (для Рг=51000кг*с [0,61 ]);

В целях обеспечения безопасности морской буксировки , примем длину буксирной линии равной 340 м - такая длина буксирной линии позволит избежать опасного сближения буксировщика и буксируемого объекта или даже навала.

Р=(Рц*1ц+Ртр*1тр)/(1ц+1тр)=(62,5*8+14,2*332)/(8+332)=15,Зкг

Для буксира в воде Р=0,85*Р на 1п.м.

Р=0,85*15,3=13,0 кг

определение стрелки провеса при буксировке.

f=(Р*12)/(8*Рг) Р

- вес 1 погонного метра смешанной буксирной линии

Рг - усилие на гаке

f =(Р*12)/(8*Рбукс)=2,Ом

В нашем случае буксирная линия - смешанного типа, где 332 м взято под стальной трос и 8 м цепной вставки (т.е. смычки).

3. Определение скорости буксировки при ветре и волнении

3.1 Теоретическая часть

При плавании на тихой воде горизонтальная составляющая натяжения буксирного троса равняется тому сопротивлению, которое оказывает буксируемое судно при заданной скорости. Сопротивление буксируемого судна и собственное сопротивление преодолевается упором винта буксира (судна).

Работа же стального троса при буксировке на волнении случай особый. Судно на волнении подвержено не только килевой, бортовой и вертикальной качке и рысканию, но и продольным и поперечным колебательным движениям. В результате продольного колебательного движения судов при буксировке, если эти колебания не совпадают по фазе и амплитуде, расстояние между судами изменяется. Это приводит к изменению натяжения буксирного троса. Поэтому размеры троса должны быть выбраны с учётом возможного изменения расстояния между судами. Продольное периодическое движение судна на волне подчиняется уравнению:

Х=а * sin(2 /) * t

Х- продольное перемещение судна;

а - амплитуда продольных колебаний, зависящая от высоты волны, отношения длины и осадки судна к длине волны 0. И курса судна относительно направлений движений волны волн;

- кажущийся период волны, где т =(co*to)/(c0-v0);

v0 - скорость судна;

c0- скорость волн;

t - время.

Расстояние между судами при буксировке на тихой воде Хбт определяется размерами буксирного троса и его буксировочным натяжением и может быть выражен как:

q - вес единицы длины троса в воде;

ST - длина троса;

k - жёсткость троса;

Тб - буксировочное натяжение.

При буксировке на волнении расстояние между судами X может быть определено как среднее буксировочное Хб и сумма продольных перемещений судов при их продольных периодических колебаниях на волнении суммируя эти перемещения с буксировочным расстоянием, где А - амплитуда относительного продольного перемещения судов, определение величины её будет рассмотрено ниже. Видно, что расстояния между судами изменяется в пределах от Хб-А до Хб+А. При уменьшении расстояния между судами натяжение уменьшается, при увеличении - увеличивается. Задаваясь предельно допустимым при буксировке на волнении натяжением буксирного троса Тдв, сформулируем следующее основное требование к выбору размеров буксирного троса: буксирный трос должен допускать увеличение расстояния между судами по сравнению со средним буксировочным Хд на величину амплитуды продольного относительного перемещения судов А без повышения натяжения троса сверх предельно допустимого при буксировке на волнении значения Тдв. При наличии автоматических буксирных лебёдок или специальных амортизаторов, частей, то часть всей амплитуды относительного перемещения судов воспринимается этими лебёдками или амортизаторами.

3.2 Работа буксирного троса на волнении

Разница в высоте закрепления троса на буксирующем и буксируемом судне мала по сравнению со стрелкой провеса троса; весь трос полностью погружён в воду, влияние нагрузки средних участков троса на его натяжение намного превышает влияния нагрузки концевых участков, выходящих из воды, поэтому допущение о полном погружении троса в воду не внесёт существенного искажения в исследование. Упругое удлинение не влияет на его провисание как весомой нити.

Последнее допущение равносильно пренебрежению величиной упругого удлинения по сравнению с длиной троса. Это допущение позволяет считать горизонтальную составляющую натяжения троса равной его полному натяжению, даёт возможность считать, что расстояние между судами при буксировке на волнении увеличивается за счёт перемещений точек крепления троса на судах: упругого удлинения троса, перемещения точек крепления весомой нити при уменьшении стрелы провеса, а также хода амортизатора и автоматической буксирной лебёдки при их наличии.

Упругое удлинение троса, которое называют упругой игрой, можно определять, как его удлинение при изменении натяжения от Тб до Тдв пренебрегая тем, что фактически на эту величину изменяется не расстояние между судами, а длина троса. Допущенная при этом ошибка компенсируется тем, что силы Тб и Тдв являются фактически горизонтальными составляющими того полного натяжения троса, под действием которого увеличивается длина троса и которое в нашем случае рассматривается согласно малому углу наклона троса.

Увеличение расстояния между точками закрепления весомой нити при изменении натяжения её от Тб до Тдв будем называть весовой игрой троса. При её определении будем считать трос нерастяжимым. Ход амортизатора и автоматической буксирной лебёдки также будем называть игрой амортизатора и игрой лебёдки и определять независимо от упругих свойств и веса троса как ход амортизатора и лебёдки при изменении натяжения троса от Тб до Тдв. На этом основании мы можем записать амплитуду относительного продольного перемещения судов приравнивая все к суммам игр.

А=у+в+а+л (7.3.)

у - упругая игра троса;

в - весовая игра троса;

а - игра амортизатора;

л - игра лебёдки.

Это выражение есть условие непревышения натяжения троса допустимого значения Тдв. Определить упругую игру троса, т.е. упругое удлинение его при изменении натяжения от Тб до Тдв можно по методу академика А.Н. Крылова:

y,=(Tdв-T6)/k

k - жёсткость троса.

Для определения весовой игры троса необходимо выразить его натяжение через нагрузку, которая при растяжении погруженного в воду троса состоит из веса троса в воде и нагрузки его силами сопротивления воды движению троса и силами инерции. Сопротивление воды зависит от скорости уменьшения стрелы провеса троса и достигает наибольшего значения при наибольшей скорости уменьшения стрелы провеса, которая зависит от скорости относительного перемещения судов и расстояния между ними. С достаточной степенью точности можно считать, что момент достижения наибольшей скорости уменьшения стрелы провеса троса совпадает с моментом наибольшей скорости относительного перемещения судов. Наибольшая скорость относительного перемещения наблюдателя при расстоянии между судами X равном среднему расстоянию Хб. В этот момент ускорение относительного движения судов, а следовательно ускорения вертикального перемещения троса равна нулю. Поэтому при определении нагрузки троса при Х=Хб силами инерции можно пренебречь. При наибольшем расстоянии между судами Х=Хmах нагрузка троса силами сопротивления отсутствует, так как стрела провеса уже достигла своего min значения.

Силы инерции несколько уменьшают величину нагрузки троса, однако влиянием этого незначительного уменьшения можно пренебречь.

При медленном увеличении расстояния между судами натяжение троса увеличивается, достигая наибольшего значения при наибольшем расстоянии между судами Хmах (ОВД). При быстром увеличении расстояния между судами, вследствие дополнительной нагрузки для троса сопротивлением воды его вертикальному перемещению, наибольшее натяжение троса может быть при наибольшей скорости движения троса, т.е. при Хб=Х (EGF). При недостаточно быстром уменьшении расстояния между судами, также при очень быстром подъёме (т.е. крутом) кривой статического натяжения троса (ОВД), что имеет место при коротком тросе, характер изменения натяжения может быть таким, что при Х=Хб натяжение его, хотя и превысит Тб на некоторую величину, но все же будет меньше натяжения при Xmax (AHC).

Заранее предугадать какой характер будет иметь кривая натяжения в каждом конкретном случае невозможно.

Поэтому, величину весовой игры троса надо определять, исходя из условий, что она не превысит допустимого натяжения Тдв ни при Х=Хб ни при Х=Хmах.

Весовая игра троса определяется из этого условия при наибольшем расстоянии между судами, есть разность расстояний между точками закреплённой нити (весомой) (трос, нагруженный лишь силами веса в воде) при его натяжении Тб и Тдв.

Эти расстояния могут быть выражены через длину троса и натяжение по формуле для цепной линии. При этом формула для выражения весовой игры есть

Это методика была определена академиком А.Н. Крыловым. Для определения весовой игры троса из условий непрерывного допустимого натяжения Тдв при среднем расстоянии между судами Хб необходимо выразить величину натяжения троса при Х=Хб через параметры относительного движения судов и размеры буксирного троса.

Силу сопротивления воды движению троса при уменьшении стрелы провеса можно принять пропорционально второй степени скорости его вертикального перемещения, которая для каждого участка троса пропорциональна ординате этого участка . В системе координат о оси проходит через точки закрепления троса.

Заменяя элемент длины троса dS его проекцией на горизонтальную ось d и, приняв трос провисающим по синусоиде, что возможно при сделанном допущении о малости угла наклона троса, получим следующее выражение для нагрузки троса силами сопротивления воды его вертикальному перемещению qск :

qCK=qc*sin2(/x)d

Напишем уравнение моментов для левой половины троса относительно точки закрепления:

После интегрирования получим:

Y - стрела провеса троса.

Т- полное натяжение троса при нагрузке его силами веса в воде, распределенными равномерно по длине троса и силами сопротивления воды вертикальному перемещению распределенными по длине троса по закону второй степени синуса. Решая полученное уравнение относительно полного натяжения троса Т.



Первый член правой части полученного выражения представляет натяжение троса равномерно распределенной нагрузкой qв , т.е. натяжения статического троса, которая при Х=Хб равно буксировочному натяжению Тб. Учитывая это, можно написать следующее выражение для допустимого натяжения троса и Х=Хб:

Td=Tв* (l + 0,7*qc/qв) (7.8)

интенсивность нагрузки троса силами сопротивления в средней части можно написать как силу сопротивления средней части троса единичной длины, движущегося перпендикулярно образующей:

qc=c0 * (p/2) d*Y2 (7.9)

Со - коэффициент сопротивления троса, равный для стальных тросов с учётом шероховатости 1,2 - 1,3

d - диаметр троса.

F - вертикальная скорость движения средней части троса - - скорость уменьшения стрелы провеса.

Принимая приближённое выражение стрелы провеса троса через его длину и расстояния между точками закрепления по формуле для нити, провисающей по параболе Y=3/8(Sm-X) *X, получим после дифференцирования следующее выражение скорости изменения стрелы провеса:



где Хв - это та часть скорости, изменения расстояния между судами, которая приходится на весовую игру троса. Эту скорость можно определить, дифференцируя расстояние между судами по времени, правая часть уравнения при подстановке туда весовой игры троса вместо амплитуды относительного перемещения судов. Наибольшая величина этой скорости при Х=Хб:

2 в

T = ------ (7.11)

Выражая скорость уменьшения стрелы провеса троса через скорость Хв и, подставляя в формулу интенсивности нагрузки троса силами сопротивления, получим следующее выражение, в котором соблюдены условия превышения допустимого натяжения троса Тдв при Х=Хб.

Решая полученное уравнение относительно весовой игры:

Формула (7.13) для определения весовой игры троса из условия не превышения допустимого натяжения Тдв при Х=Хб выведена при некоторых допущенных относительно формы провисания троса (синусоида, парабола), которые тем более оправданы чем меньше угол наклона троса к горизонту. Для проверки справедливости формулы (7.13) все рассуждения были проделаны для ещё более грубой схемы -- двух жёстких стержней шарнирно соединённых между собой и с судами. Разность в величине весовой игры, определённой по формуле (7.13) и аналогичной формуле для жёстких стержней ири Хб/Sт>0,95, не превышает 2,5% и достигает 6,5% лишь при Xg/Sm=0,90. поскольку парабола и синусоида гораздо ближе к действительности по формуле и форме провисания троса, чем пара стержней к параболе и синусоиде, можно утверждать точность формулы (7.13) вполне достаточно для практических расчётов, потому что обычно при значительном буксировочном натяжении троса X>0,9Sm Формулы (7.4), (7.13) для определения весовой игры крайне неудобны, так как при реальных значениях натяжения троса приходится иметь дело с малыми разностями больших величин, что приводит к потере точности, а иногда и к невозможности произведения расчёта вообще. Поэтому, заменяя выражения Хб в этих формулах двумя первыми членами степенного ряда, получим следующие простые, удобные и достаточно точные для практических расчётов формулы: из условия непревышения допустимого натяжения Тлв при Х=Хmах (как это следует из методики, предложенной академиком А.Н. Крыловым)

Tдв - T

в = 1/24*ST *qв* ------ (7.14)

Tдв * T

Из условия не превышения допустимого натяжения Тдв при Х=Хб



Формула (7.15) удобна ещё и тем, что в ней как и в формуле

Тдв - Тв

y = ST* --------

Ed

для определения упругой игры троса, весовая игра является линейной функцией длины троса, что может быть использовано для определения длины буксирного троса. Весовую игру буксирного троса следует определять как по формуле (7.15), так и по формуле (7.14) и принимать наименьшее значение. Как правило, наименьшее значение даёт формула (7.15), но если буксирный трос очень короткий, то как уже отмечалось, может иметь место такой крутой подъем кривой статического натяжения, что наименьшее значение весовой игры будет получено по формуле (7.14).

а=(Тд-Тб)/ка (7.14.1)

ka- эффективная жесткость амортизатора , кН/м

л =Vл/(2)

Vл - скорость выбирания каната лебедкой , м/с

3.3 Относительное перемещение судов при буксировке на волнении

Относительное перемещение судов при буксировке на волнении складывается из продольных колебаний судов, которые могут не совпадать по фазе. Кроме того, увеличение натяжения буксирного троса сверх буксировочного натяжения Тб оказывает тормозящее действие на движение судов при увеличении расстояния между ними. При сближении судов натяжение троса, превышающее буксировочное, будет несколько увеличивать пройденный путь. При исследовании работы буксирного троса, нас интересует только увеличение расстояния между судами, поэтому представим относительное движение судов условным уравнением, отражающим правильно лишь их относительное движение при увеличении расстояния между ними. Это есть следующее уравнение:

Asin(2/) * t = a1 sin(2t/)-1)-a sin(2t/)-2) -( XT1+XT2) * sin(2t/)

А - амплитуда относительного перемещения.

a1 и а2 - амплитуда продольных колебаний буксира буксируемого судна, (без учёта влияния троса).

1 и 2 - сдвиг фаз продольных колебаний буксирующего и буксируемого судов относительно их результирующего относительного перемещения.

Хт1 и Хт2 - торможение буксирующего и буксируемого судов натяжением тросов.

Поскольку силы, вызывающие продольные колебания судна на волнении, зависят от отношения размеров судна к длине волны аналогично силам, вызывающим вертикальную качку и, кроме того, пропорциональны косинусу угла между курсом буксировки и направлением движения волн фв Выражение амплитуды продольных колебаний судна:

 a=h/2-XL-XT-cosв

h - высота волны.

XL - коэффициент, учитывающий отношение длины судна L к приведённой длине

* 0

= --------;

0 cosв

величина этого коэфициента приведена в виде графика XL =f (L/) для различных значений коэффициента полноты площади ватерлинии а.

Хт - коэффициент, учитывающий отношение осадки судна Т к приведённой длине волны , величина этого коэффициента приведена в виде графика Хт=f(Т/). Для различных значений коэффициента вертикальной полноты Х=/а.

Приведённые значения коэффициентов X и Хт предложенные Г.Е. Павленко для приближённого определения амплитуды вертикальной качки судна. Используя формулу (5.18) получим следующие выражения амплитуды относительного перемещения судов при буксировке на волнении:

Где в =1-2 разность в фазе продольных колебаний буксирующего и буксируемого судов. Величина разности фаз продольных колебаний судов зависит от отношения буксировочного расстояния Хб к приведённой длине волны . И может быть определён:

 X - n

= 2 -------- (7.20)

n - целое число, отвечающее условию: / X - n //

В результате изменения курса буксировки, длины волны и нерегулярности волнения величина разности фаз будет изменяться от 0 до 2 расчёт буксирного троса необходимо вести при наибольшей возможной амплитуде относительно перемещения судов, однако вероятность обеспечения при буксировке этой наибольшей амплитуды или близкой к ней зависит от пределов возможного изменения амплитуды. Чем больше эти пределы, тем меньше вероятность обеспечения наибольшей расчётной амплитуды, и, следовательно, тем меньше запас прочности троса при определении предельно допустимого значения Тдв может быть заложен в расчёт. Очевидно, что при неизменном значении амплитуды относительное движение с данной постоянной амплитудой будет иметь место при буксировке на волнении постоянно, независимо от расстояния между судами Хб. Этот случай возможен при больших размерах одного из судов по сравнению с длиной волны, когда это судно не совершает продольных колебаний. Занос прочности троса в этом случае должен быть принят наибольшим. Если суда близки по размерам, то их относительное движение зависит от отношения фаз их продольных колебаний и амплитуда их относительного перемещения изменяется от нуля (при расстоянии между ними Хб равном целому числу проведённых длин волны ) до наибольшего возможного значения ( при расстоянии между судами равному нечётному числу приведённых полудлин волны /2).Таким образом, в процессе буксировки, амплитуда относительного перемещения будет достигать своего наибольшего расчётного значения, а также близких к нему значений сравнительно редко. Поэтому и запас прочности троса при определении Тда можно взять минимальным. Промежуточным случаям изменения амплитуды относительного перемещения судов отвечают промежуточные значения запаса прочности троса. Подставляя в формулу (7.19) пределы возможности изменения разности фаз продольных колебаний судов получим следующую формулу для пределов изменения амплитуды продольных перемещений судов при буксировке на волнении.

A=h/2(XL1XT1±XL2XT2) * cosв -(X T1+X T2) (7.21)

Кроме продольных колебаний судов на волнении на изменение расстояния между точками закрепления буксирного троса влияет продольная качка и рыскания судов.

Так как углы рыскания и продольная качка малы, этим влиянием можно пренебречь по сравнению с влиянием продольных колебаний судов. Кроме того, продольная качка судна при той незначительной разности фаз продольной качка и волнения, которая обычно наблюдается, приводит к некоторому уменьшению амплитуды изменения расстояния между точками закрепления буксирного троса. Следовательно, пренебрежения влиянием продольной качки ведёт к некоторой ошибке в безопасную сторону, что компенсирует ошибку от пренебрежения влиянием угла рыскания.

Представим изменение натяжения троса во времени, где ВЕF -статическое изменение натяжения троса (при наибольшем его значении

значении в момент), EGF - изменение натяжения троса при наибольшем его значении в момент X6=X1 и (А)Н(С) - изменение натяжения троса в случае, когда наибольшее натяжение имеет место при Х=Хmах. Заменяя фактический график (Tdв-T6)=f(t) прямоугольником BGLM, что достаточно отражает действительную картину изменения тормозящей силы, напишем уравнение движения судна под действием этой силы:

mx=Тдв-Тб (7.22)

m - масса судна с учётом присоединенной массы.

4. Определение сопротивлений и скорости судов на ветре и волнении

Максимальной скоростью при буксировке будет та скорость, при которой сопротивления буксирующего и буксируемого судна составляют в сумме силу, равную упору винта. Это легко определяется если построить суммарный график сопротивлений буксирующего и буксируемого судов в зависимости от скорости.

4.1 Определение сопротивления буксира

Здесь мы начинаем учитывать сопротивления волнения и ветра.

R0'=60V2+Rвemp+Rволн (7.25)

Где 0 - площадь нагруженной части мидель-шпангоута.

0 = * B * T

где - коэффициент полноты мидель-шпангоута.

Здесь ветровое сопротивление определяется как:

Rвозд=C* (pв/2) *A* (Vв+V)2 (8.1.1)

С аэродинамический коэффициент обтекания равный 0,82 при ветре, дующем параллельно ДП;

pв -массовая плотность воздуха (0,125 кг-с2/м4);

VB - скорость ветра (12 м/с);

А- лобовая площадь парусности

 Кволн =К*рволн/2**V2 (8.2)

Здесь волновое сопротивление включает площадь смоченной поверхности подводной части.

= 1,05*L(1,7*Т+СЬ *В) (8.2.1)

= 1,05*202(1,7*12,6+0,79 *32)=9947 м 2

= 1,05*107(1,7*10,8+0,6 *26)=6097 м 2

К - гидродинамический коэффициент, зависящий от степени волнения:

1-2 балла к=(0,1*0,2) *103

3-4 балла к=(0,3*0,4) *103

5-6 балла к=(0,5*0,6) *103

Сь - коэффициент общей полноты.

Рволн- массовая плотность воды (рволн=104,5 кг с/м4)

Составляя таблицу сопротивлений буксирующего и буксируемого судна при различных скоростях и строят график суммарного сопротивления, который потом используется для определения скорости буксирного каравана и силы тяги на гаке. Значение силы тяги позволит определить какой толщины буксирный трос требуется для данной операции. Все расчёты, связанные с плановой буксировкой, выполняют заблаговременно с учётом особенностей предстоящей операции; .числа и типов буксиров и буксируемых объектов, вида буксирной линии (однородная, неоднородная).По графику, зная тягу винта буксировки, находим скорость буксировки.



«График сопротивлений» Рис. 8.2

5. Определение длины буксирного троса, элементов «игры» и стрелки провеса при ветре и волнении

5.1 Расчёт размеров буксирного троса

После того, как сделан расчёт нагрузки на буксирную линию, выбирают длину буксирного каната, которая для морской буксировки должна удовлетворять следующим правилам:

а) кильватерная струя буксира не должна оказывать тормозящее действие на буксируемое судно;

б) управляемость буксируемого судна должна быть удовлетворительной;

в) провес и упругая деформация должны быть достаточными для смягчения рывков буксирного каната, которые возникают вследствие качки, рыскания судов и т.д.;

г) должно быть возможным свободное орбитальное движение обоих судов на волнении.

Во время буксировки в море неизбежны рывки на тросе, причиной таких динамических нагрузок являются удары волны, рыскание и резкие изменения скоростей, движения буксируемого и буксирующего судов. Смягчить эти динамические нагрузки можно используя потенциальную энергию упругой деформации каната:

U=(T2l)/(2EF) (9.1)

Г- усилие растяжения в буксирной линии;

/ - длина буксирной линии (м);

Е - модуль упругости троса (кг-с/см );

F- площадь сечения троса (см2).

Чем ниже центр тяжести, тем на большую высоту он может быть поднят, и чем больше вес буксирной линии, тем большую кинетическую энергию она может компенсировать.

Самое главное, что требуется от буксирной линии -это обеспечивать свободу для орбитального движения при плавании на волнении. Для выполнения этого условия необходимо обеспечить горизонтальное перемещение судов от какого-то среднего положения в обе стороны на расстояние, равное половине высоты волны, а общее перемещение, которое будет иметься обоими судами должно быть следующим: 2a = hв.

Кроме того, должна быть известна горизонтальная проекция натяжения буксирного троса, равная тяге на гаке. При таких условиях можно определить степень расхождения судов вследствие изменения формы буксирной линии и её упругих деформаций. Изменение расстояние между буксируемым и буксирующим судами зависит от весовой упругой «игры» буксирного троса. Рассчитав полное сопротивление буксируемого судна R1 с учётом сопротивления буксирного троса. Орбитальное движение судов зависит от периода волны, её высоты, веса судов и величины ускорения. Поэтому рекомендуется при волнении употреблять буксирную линию с достаточной стрелкой провеса, чтобы он свободно допускал изменение расстояния между судами на величину, равную половине высоты волны.

а - является параметром цепной линии и есть отношение горизонтальной составляющей натяжения буксирного троса к весу 1 м погонной длины буксирного троса.

а=Т/р

При буксировке на тросах из растительного или искусственного волокна, вес которых в воде близок к нулю и весовая игра практически отсутствует, длину троса можно определить тем же способом, что был описан выше, но без учёта весовой игры. Несмотря на отсутствие весовой игры, тросы из растительного и искусственного волокна, в силу своей исключительной эластичности (т.е. большая упругая игра) более удобны для буксировки, чем стальные. В практике морской буксировки повышение натяжения буксирного троса при сравнении с буксировочным натяжением Тб имеет место не только при буксировке на волнении. Возможны рывки в буксирном тросе при шквале, если действие ветра на суда различно по величине, а также при резком разгоне, перемене курса. Обычно усилия, возникающие в тросе в этих случаях намного меньше допустимого значения при буксировке на волнении, если длина троса определена для буксировки на значительном волнении. Значит, трос выдерживает эти рывки с большой степенью безопасности. Свободное изменение расстояния между судами или «игра» буксирной линии зависит главным образом от:

а) относительного удлинения троса;

б) от величины упругой деформации.

Прежде всего, нам необходимо найти длину троса:

Рг * hв

lбукс = ---------- (9.2)

1000 * К

 Рг - усилие на гаке;

hв - высота волны при 6 баллах (4,5м);

К - коэффициент игры троса (для Рг=46000кг-с [0,6]);

46000 * 4,6

lбукс = ---------- = 346

1000 * 06

Pдоп = Рраз/2=198500 /2=99250 кг* с

Значение Рраз =198500 взято с таблицы ГОСТ 3089-80 по маркировочной группе 1370 Н/мм2 при реальном диаметре равном 78мм.

Находим упругую «игру» троса с весовой «игрой».

Где: Е=0,8 * 10б кг/с2 - модуль упругости троса.

F - площадь поперечного сечения см2 .

Р -- вес 1 м буксира в воде.

Р=(Рц* 1ц+Ртр* lтр)/(1ц+1тр)=(62,5-8+14,2*346)/(8+346)=15,З кг

Для буксира в воде Р=0,85*Р на 1п.м. Р=0,85*15,3=13,0 кг.

Необходимо чтобы здесь было соблюдено условие уравнения:

y hв (9.5)

Но выполнив решение по расчётам мы убедились, что данная длина буксира не даёт нам необходимого условия где: 3,90,01 4,5

Что не соответствует условию (9.5). После подстановки нового значения в условие (9.5), где lбукс =400 м мы имеем:

Pдоп - Pг

y = -------- * lбукс = 4,58 м.

EF

Здесь после условия мы видим, что условие (9.5) удовлетворяется.

y 4,5

4,580,03 4,5

Здесь мы можем найти стрелку провеса в двух случаях, когда судно буксируемое имеет усилие на гаке max и min учитывается разрывное усилие троса.

1) Относительное удлинение троса:

max натяжение на гаке при разрыве троса с учётом 30% морского запаса:

Ттах=0,7*Рраз =0,7*198500=138500 кг*с (9.7)

3) стрелка провеса при Тmах:

4) стрелка провеса при нормальном натяжении Тн:

5) определение второго элемента «игры» при разрыве:

6) определение второго элемента «игры» при номинале:

7) реальная величина «игры» второго элемента:

l2= l"2- l '2=0,21-0,02=0,19м (9.12)

8) полная «игра» буксирного троса составит:

l1+ l2 =1,85+0,19=2,04м (9.13)

6. Управление судами при буксировке

Момент начала движения каравана является наиболее ответственным, так как при движении со значительным ускорением в буксирной линии может возникнуть чрезмерное усилие.

Когда буксирный канат начинает обтягиваться, надо застопорить машину и в дальнейшем увеличивать скорость понемногу. Полную длину буксирного каната устанавливают по выходу на глубокую воду. Изменять курс надо плавно, избегая крутых поворотов, даже в том случае если судно развило постоянную скорость. По достижении судами полной скорости буксировки необходимо осмотреть буксирное устройство. Нагрузка, приложенная к деталям и конструкциям которые, служат для крепления буксирного троса не должна превышать допустимой. Если буксировка осуществляется на нескольких тросах, необходимо выровнять их натяжения. У места, возможна отдача буксирного троса должен быть инструмент , позволяющий или перерубить буксирный трос, или привести в действие отдающее устройство. В целях обеспечения безопасности может быть предусмотрено перенесение нагрузки на страховочный трос в случае обрыва основного буксирного троса. На корме буксирующего и на носу буксируемого судов должна быть установлена вахта для наблюдения за работой буксирного устройства. Во время буксировки в шторм курс необходимо' располагать так, чтобы орбитальное движение обоих судов оставалось в пределах, допустимых данной буксирной линией. Наибольшее влияние орбитального движения судов на усилия в буксирном тросе наблюдается при их исследовании против волны или по волне. При плавании лагом к волне это влияние будет минимальным и будет проявляться в форме рыскания буксируемого судна.

Большое значение имеет соотношение длины волны (X) и расстояния (S) между судами. Рекомендуют иметь такую длину (L) буксирного троса, чтобы

буксируемое и буксирующее судно одновременно всходили на волну и спускались с неё. При этом разность фаз орбитального движения сводится к минимуму. Все суда,когда они идут на буксире подвержены рысканию. При буксировке вплотную, рыскливости нет, но по мере увеличения расстояния между судами путем удлинения буксирного троса, начинается рыскание которое увеличивается до тех пор пока буксирный трос не войдет в воду. С этого момента рыскание замедляется. Необходимо помнить :