МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОСИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
СУДОВОДИТЕЛЬСКИЙ ФАКУЛЬТЕНТ
КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО УПРАВЛЕНИЮ СУДНОМ
ВАРИАНТ №25
ИСПОЛНИТЕЛЬ:
РУКОВОДИТЕЛЬ:
Санкт-Петербург
2004
Введение
Данная курсовая работа выполняется с целью закрепления теоретических знаний, полученных при изучении курса «Управление судном» и привитие навыков выполнения инженерных расчетов, связанных с эксплуатацией судна.
Она состоит из 3 разделов:
Крепление палубного груза
Буксировка судна морем
Снятие судна с мели
В первом разделе рассчитываются силы, действующие на груз, и параметры найтовов, а также чертятся схемы действия сил, размещение груза, подкладочного материала и найтовов.
Во втором разделе рассчитываются скорость буксировки и тяга на гаке в условиях отсутствия волнения, высота волны, при которой возможна буксировка заданным буксирным тросом, а также строятся кривые сопротивления буксировщика и буксируемого судна, приводится схема определения скорости буксировки и тяги на гаке.
В третьем разделе определяется сила, необходимая для снятия судна с мели с приведением соответствующих схем.
Исходные данные
Расчет крепления груза
вес груза W=80 кН
габариты груза 4м ∙2м ∙1,1м
период поперечных колебаний Т1
=9 сек
период продольных колебаний Т2
=5 сек
координаты центра массы груза у=3 м; х=26 м; z=3,5 м
расчетный угол крена θ=30о
расчетный угол дифферента ψ=5о
высота волны hв
=4,0м
высота фальшборта hф
=2м
высота надводного борта hнб
=2м
плотность морской воды 1,025 т/м
длина шпации l1
=0,6м
длина полубимса l2
=5,5м
высота трюма hтр
=4м
количество найтовов продольных t2
=2 штуки
количество найтовов поперечных t1
=3 штуки
высота подкладываемого материала hп
=0,15м
скорость на спокойной воде V=10 узлов
угол наклона троса к вертикальной плоскости (ДП) ά1
=30о
угол наклона троса к вертикальной плоскости (шпангоута) ά2
=30о
номер профиля бимса N=20/12
коэффициент запаса прочности троса Кпрочн.тр.=3
расчет буксировки судна морем
максимальная скорость V=11 узлов
дисковое соотношение винта θ=0,6
диаметр винта d=1,5м
мощность двигателя N=1300л.с.
полуширина буксирной линии l=120м
коэффициент запаса прочности буксирного троса Кзап=3
состояние винта – СТОП
снятие судна с мели
осадка носом до посадки на мель Т1
н=3,0м
осадка носом после посадки на мель Т2
н=2,9м
осадка кормой до посадки на мель Т1
к=3,4м
осадка кормой после посадки на мель Т2
к=3,6м
число тонн, изменяющих осадку на 1см q=10т/см
коэффициент проницаемости затопленного отсека К2=0,97
коэффициент затопления отсека К1=0,7
высота уровня воды в отсеке hо
=0,6м
длина затопленного отсека lо
=18,0м
ширина затопленного отсека b=11,0м
водоизмещение судна D=3000т
метацентрическая высота до посадки на мель h=2 м
ширина судна B=11,3м
длина судна L=96м
масса станового якоря Ря=1,9т
тяговое усилие лебедки F=27кН
грунт-песок
Раздел №1. Расчет крепления палубного груза.
1.1
Расчет сил действующих на груз
Суммарные силы Ру
и Р1
z, действующие соответственно по осям ОУ и ОZ при бортовой качке рассчитываются по формулам:
Ру
= mg sinθ + m 4π2
/T1
2
(z+r)sinθ + Pb
Py
= 80∙0,5 + 8,17∙4∙3,142
/81∙(3,5+5)∙0,5 + 0 = 51 кН
r = 0,5 ∙ hb
= 0,5 ∙ 4 = 2м
P1z
= mg cosθ + my 4π2
/T1
2
sinθ + mr 4π2
/T1
2
cosθ
P1z
=80∙0,87 + 8,17∙3∙4∙3,142
/81∙0,5 + 8,17∙2∙4∙3,142
/81∙0,87 = 82,8кН
Суммарные силы Px
и P2
z
, действующие соответственно по осям ОХ и ОZ при килевой качке, определяются выражениями
Рх
= mg sinψ + m4π2
/T2
2
zsinψ + m4π2
/ T2
2
r ∙ sinψ
Рх
= 80∙0,09 + 8,17∙4∙3,142
/25∙3,5∙0,09 + 8,17∙4∙3,142
/25∙2∙0,09 = 13, 6 кН
Р2z
= mg cosψ + mx 4π2
/T2
2
sinψ + mr4π2
/T2
2
cosψ
P2z
= 80∙1 + 8,17∙2,6∙4∙3,142
/25∙0,09 + 8,17∙2∙4∙3,142
/25∙1 = 109,2 кН
В формулах приняты следующие обозначения:
m – масса груза, кг
g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2
Т1
, Т2
– соответственно периоды бортовой и килевой качки, с
Θ, ψ – соответственно углы крена и дифферента, рад
х, у, z – координаты центра массы груза, м
r – радиус вращения центра массы груза при волнении, равный 0,5 hв
, где hв
ожидаемая высота волн в районе плавания, м
Рв
– сила ветра, Рв
- S∙Р, где Р – давление ветра при заданной его скорости на 1 м2
, при расчетах может быть принято равным 500 Па. Силу удара волны в данной работе не учитываем, так как на судах смешанного плавания с этим явлением практически не сталкиваются.
Обеспечение прочности верхней палубы
Обеспечение прочности верхней палубы достигается путем распределения тяжести груза таким образом, чтобы на 1 м2
палубы приходилось нагрузки не более указанной в судовых документах. Если же в судовых документах этих сведений нет, то безопасную нагрузку на 1 м2
можно в кПа рассчитать по формуле Регистра:
Р = 0,083∙L+d/Д-4,9
Где L – длина судна, м
d – осадка судна, м
Д – высота борта, м
Р = 0,083∙96 + 13∙(3,4/5,4)-4,9 = 11,5 кН/м2
Отношение d/Д не следует принимать менее 0,65 или 0,80. В данном случае это отношение принимается равным 0,65
Р = W/S = 80/ 4∙2 = 10 < 11,5
1.3.Расчет найтовов
реакция найтовов от усилий, направленных перпендикулярно диаметральной плоскости судна рассчитывается по формуле:
Ry
= Py
/(t1
∙sinά2
) = 51 кН/(3sin30o
) = 34 кН
Реакция найтовов от усилий, направленных параллельно диаметральной плоскости судна рассчитывается по формуле:
Rx
= Px
/(t2
∙sinά3
) = 13,6кН/(2sin30o
) = 13,6 кН
Где t1
, t2
– количество найтовов в поперечной и продольной плоскостях
ά – наименьший угол наклона найтовов к вертикали, принимаемый равным 30о
Py
, Px
– усилия действующие вдоль оси OY и вдоль оси ОХ
Значения Ry
и Rx
являются рабочими нагрузками найтовов, и для получения разрывных усилий их следует умножить на коэффициент запаса прочности, принимаемый равным 3
Траз
= 3∙34 = 102 кН
По найденному разрывному усилию подобрали трос диаметром d=17мм
Раздел №2. Буксировка судов морем
Цель работы – определение пригодности выбранной буксирной линии для проведения безопасной буксировки морем, в ходе расчетов определяется насколько изменяется расстояние между судами во время волнения.
2.1.Определение тяговых усилий в буксирной линии при плавании на спокойной воде
упор винта в швартовом режиме равен:
Тш
= 0,136∙N = 0,136∙1300л.с.∙0,735Вт/л.с. = 130кН
Принимаем упор винта в швартовом режиме равным сопротивлению воды движению судна Ri
при максимальной скорости последнего без буксира:
Тш
= 130 кН = Rб1
Далее определяем сопротивление, соответствующее различным скоростям хода:
Ri
-1
= Ri
∙(Vi
-1
2
/Vi
2
)
Где Ri
, Ri
-1
– сопротивление воды движению судна при скоростях Vi
и Vi
-1
Сопротивление винтов буксируемого судна определяем по эмпирической формуле:
Rв
= К1
∙Q1
∙dв
2
∙V2
= 500∙0,6∙1,52
∙V2
= 675∙V2
Где Q1
– дисковое отношение винта
dв
– диаметр винта, м
V – скорость буксировки, м/с
К1
– коэффициент равный 500 для застопоренного и 150 для проворачиваемого винта
Сопротивление буксируемого судна находим по формуле:
Rб.о.
= R′
i-1
+Rв
i-1
, где R′
i-1
– сопротивление корпуса аварийного судна, оределяемое аналогично Ri
-1
Общее сопротивление состава равно:
Rс
i-1
= Rб
i-1
+ Rб.о.
i-1
= Rб
i-1
+R′
i-1
+ Rв
i-1
Данные вычислений представлены в виде таблицы
| V,узлы |
Rб, кН |
Rв, кН |
Rб.о., кН |
Rс, кН |
| 11 |
130 |
21,2 |
151,2 |
281,2 |
| 10 |
107,4 |
17,6 |
125,0 |
232,4 |
| 9 |
87,0 |
14,5 |
101,5 |
188,5 |
| 8 |
68,7 |
:center;">11,5 |
80,2 |
148,9 |
| 7 |
52,6 |
8,8 |
61,4 |
114,0 |
| 6 |
38,7 |
6,4 |
45,1 |
83,9 |
| 5 |
26,9 |
4,5 |
31,4 |
58,3 |
| 4 |
17,2 |
2,9 |
20,1 |
37,3 |
| 3 |
9,7 |
1,6 |
11,3 |
21,0 |
| 2 |
4,3 |
0,7 |
5,0 |
9,3 |
| 1 |
1,07 |
0,18 |
1,25 |
2,32 |
По результатам таблицы построен график с помощью которого можно найти тягу на гаке и скорость буксировки.
Из графика видно, что:
Тr
= 70 кН
V = 7,5 узла
2.2.Расчет «игры» буксирной линии
за максимальное усилие, могущее возникнуть при волнении в буксирной линии, принимается так называемая случайная нагрузка, принимаемая равной половине разрывной прочности троса. Так как рабочая нагрузка буксирного троса в расчетной практике принимается равной тяги, то в этом случае:
Траз
= Кх
∙Тr
= 5∙70кН = 350кН
Тсл
=1/2Траз
= 350/2 = 175кН
Где Траз
– разрывная прочность буксирного троса
Кх
– коэффициент запаса прочности равный 5 – при тяге на гаке 98,1 кН и менее, 3 – при тяге на гаке 294 кН и более. Для данного значения тяги – 70 кН коэффициент запаса прочности – 5. Диаметр троса = 28 мм. Масса одного метра каната из приложения 1 будет равна 25,9 Н/м.
Далее для расчета «игры» буксирной линии определяем вспомогательные параметры:
а1
= Тr
/q = 70 кН/0,87∙25,9Н/м = 3,1∙103
м
a2
= Тсл
/q = 175 кН/ 0,87∙25,9Н/м = 7,8∙103
м
где а1, а2 – расстояние от нижней точки провиса буксирной линии до начала координат, м
q= 0,87∙qвозд
– вес одного метра буксирной линии в воде, Н/м
qвозд
- вес одного метра буксирной линии в воздухе, Н/м
Далее рассчитываем отношение:
n1
= l/a1
= 120м/3,1∙103
м = 0,039
n2
= l/a2
= 120м/7,8∙103
м = 0,015
где l – длина буксирной линии
Так как 0,039<0,25, то возможна замена буксирной линии параболой.
1. Рассчитываем стрелки провиса буксирной линии
f1
= l2
/2a1
= 1202
/2∙3,1∙103
= 2,32м
f2
= l2
/2a2
= 1202
/2∙7,8∙103
= 0,92м
f1,f2 – стрелки провиса буксирной линии соответственно при тяговых усилиях в тросе Tr
и Тсл
2.1-x1
= f1
∙1/3a1
= 2,32∙120/3∙3,1∙103
= 0,03м
1-x2
= f2
∙1/3a2
= 0,92∙120/3∙7,8∙103
= 0,005м
x1,x2 – абсциссы рассматриваемых точек (в данном случае расстояние от кормы буксировщика или носа буксируемого судна до оси ординат, проходящей через низшую точку буксирной линии) соответственно при Тг
и Тсл
3.l1
=(2Tr
l)/(Eтр
∙ Fтр
)= (2∙70∙120)/(3,63∙6,15) = 0,75м
l2
=(2Tc
л
l)/(Eтр
∙ Fтр
)= (2∙175∙120)/(3,63∙6,15) = 1,88м
где l1
, l2
– удлинение буксирной линии за счет упругой деформации троса соответственно при Тг
и Тсл
Етр
– модуль упругости троса, при расчетах принимаем равным 3,63
Fтр
– суммарная площадь сечения всех проволок в тросе, выбирается из ГОСТа и равна 6,15 см2
4. ά1
= 2∙((l-x1
)-(l-x2
)) = 2∙(0,03-0,005) = 0,025м
ά1
– изменение расстояния между судами за счет изменения формы буксирной линии
5.β=l2
-l1
= 1,88-0,75 = 1,13м
β – изменение длины троса, обусловленное его упругой деформацией
6.hp
= ά1
+β = 0,025+1,13 = 1,155м
hp
– общее расхождение судов за счет ά1,
β должно быть больше или равно максимальной высоте волны в районе плавания
Так как hp
=1,155м<4,0= hв
, то необходимо увеличить стрелку провеса путем введения в буксирную линию якорной цепи
Рассчитываем требуемую длину якорной цепи:
άтр
= hв
β = 4-1,155= 2,845 м
3∙άтр
∙а2
2
∙а1
2
3∙2,8∙3,12
∙7,82
∙1012
lc
т.тр.
= --------------- = ------------------------ = 457,7 м
а2
2
-а1
2
(7,82
-3,12
)106
lн
= 2(lc
т.тр
– l) = 2(457,7 – 120) = 675,4 м
lц
= (lн
∙qст.тр.
)/qn
= (675,4 ∙ 25,9)/(25∙9,81) = 71,3 м цепи 3,7 смычки
где άтр
– требуемая весовая «игра» буксирной линии, м
lc
т.тр
– общая полудлина буксирного троса с имеющимися параметрами, которая может обеспечить άтр
l – имеющаяся полудлина троса
lн
– недостающая длина троса
lц
– требуемая длина якорного каната
qст
, qn
– соответственно вес одного метра имеющегося на судне стального троса и якорной цепи.
Раздел №3. Снятие судна с мели
1.Определение потерянного водоизмещения
Определение потерянного водоизмещения производится по формуле:
Q=100q1
((Tн
+Тк
)/2) + γ∙Voi
= 100∙10(0,1+0,2)/2 + 1,025∙80,7 = 233т= 2285,7 кН
Где Tн
и Тк
– изменение осадки носом и кормой после посадки на мель, м
γ – удельный вес забортной воды, кН/м3
Voi
– объем воды, попавшей внутрь судна через пробоину, м3
, рассчитывается по формуле:
Voi
= К1
∙К2
∙l∙b∙ho
= 0,7∙0,97∙18∙11∙0,6=80,7 м3
К1
– коэффициент полноты затопленного отсека
К2
- коэффициент проницаемости затопленного отсека
l, b – длина и ширина затопленного отсека, м
ho
– высота уровня воды в затопленном отсеке, м
q1
– вес груза, изменяющий осадку на 1 см, кН/см
2. Усилие необходимое для снятия судна с мели
Усилие необходимое для снятия судна с мели, находится из выражения:
F= T∙Q= 0,5∙2285,7= 1142,9 кН
T – коэффициент трения корпуса судна о грунт, равный 0,50 так как грунт – крупный песок и машина на судне находится в положении СТОП.
Упор винта собственного судна на заднем ходу, определяется по формуле:
Тш.з.х.
= 0,1 N= 0,1 ∙ 1300 ∙ 0,7355 = 95,6 кН
Где N – индикатор мощности главного двигателя
Так как 95,6 кН<1142,9кН, то от этого способа придется отказаться
Для расчета снятия судна с мели с помощью якорей определим тяговое усилие, которое может быть создано с помощью гиней.
Fгин
= Fлеб
∙(n+1)/(1+0,1n) = 27 (6+1)/(1+0,1∙1,6) = 118,1 кН
Где Fлеб –
усилие развиваемое лебедкой, кН
n – количество шкивов, шт
Число якорей, которое необходимо завести, чтобы полностью использовать мощность, развиваемую палубным механизмами и гинями, находим из выражения:
N=Fгин
/ηя
∙Ря
∙9,81 = 118,1/1,7∙1900∙9,81 = 4 якоря
Где Ря
– вес якоря, кН
ηя
– коэффициент держащей силы якоря, который равен 1,7
разрывная прочность закрепляемого за якорь троса:
Rраз
= 5∙ Fгин
= 5∙118,1 = 590,5 кН
Где 5 – коэффициент запаса прочности троса
По Rраз
из ГОСТа находим диаметр и массу метра троса, диаметр равен 37,5 мм, диаметр проволоки равен 2,0мм, а масса метра троса равна 46,2 кг
Расстояние х, на которое необходимо завести якоря, находится из выражения:
2f∙Fгин
2∙4∙118,1
х> ----------- = -------------- = 49,1 м
q 0,87∙0,45
где f – стрелка провиса троса равная глубине места подкладки якоря, м
q – вес метра троса в воде, кН/м
требуемая длина троса:
l = (х2
+Н2
) = 49,12
+42
= 49,3 м
где Н – глубина места подкладки якоря, м
Fгин
+ Тш.з.х.
= 118,1 + 95,6 = 213,7 кН
Так как 213,7<1142,9, то от этого способа тоже придется отказаться и необходимо вызвать на помощь другие суда. Рассчитаем количество судов требуемых для снятия с мели.
В нашем случае считаем, что судно буксировщик однотипное с нашим судном.
N = F/Tr
= 1142,9/70 = 16 cудов
От этого способа тоже необходимо отказаться, потому что такое количество судов невозможно разместить.
Иногда требуется применять рывок для снятия судна с мели. Для этого необходимо подобрать трос.
Тсл
>F = 1142,9 кН
Рраз
= 2Тсл
= 2∙1142,9 = 2285,8 кН
Троса с таким Траз
нет, поэтому необходимо для снятия с мели снять часть груза, чтобы уменьшить давление судна на грунт.
Усилие требуемое для снятия судна с мели с учетом действия собственных движителей и с помощью буксира:
F1
=F – (Tш.з.х.
+ Тг
) = 1142,9 – (95,6 + 70) = 977,3 кН
Q1
= F1
/f = 977,3/0,5 = 1954,6 кН
М1
= Q1
/g = 199,3 т