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

1. вес груза W=80 кН

2. габариты груза 4м ∙2м ∙1,1м

3. период поперечных колебаний Т₁=9 сек

4. период продольных колебаний Т₂=5 сек

5. координаты центра массы груза у=3 м; х=26 м; z=3,5 м

6. расчетный угол крена θ=30^о

7. расчетный угол дифферента ψ=5^о

8. высота волны h_в=4,0м

9. высота фальшборта h_ф=2м

10. высота надводного борта h_нб=2м

11. плотность морской воды 1,025 т/м

12. длина шпации l₁=0,6м

13. длина полубимса l₂=5,5м

14. высота трюма h_тр=4м

15. количество найтовов продольных t₂=2 штуки

16. количество найтовов поперечных t₁=3 штуки

17. высота подкладываемого материала h_п=0,15м

18. скорость на спокойной воде V=10 узлов

19. угол наклона троса к вертикальной плоскости (ДП) ά₁=30^о

20. угол наклона троса к вертикальной плоскости (шпангоута) ά₂=30^о

21. номер профиля бимса N=20/12

22. коэффициент запаса прочности троса Кпрочн.тр.=3

расчет буксировки судна морем

1. максимальная скорость V=11 узлов

2. дисковое соотношение винта θ=0,6

3. диаметр винта d=1,5м

4. мощность двигателя N=1300л.с.

5. полуширина буксирной линии l=120м

6. коэффициент запаса прочности буксирного троса Кзап=3

7. состояние винта – СТОП

снятие судна с мели

1. осадка носом до посадки на мель Т₁н=3,0м

2. осадка носом после посадки на мель Т₂н=2,9м

3. осадка кормой до посадки на мель Т₁к=3,4м

4. осадка кормой после посадки на мель Т₂к=3,6м

5. число тонн, изменяющих осадку на 1см q=10т/см

6. коэффициент проницаемости затопленного отсека К2=0,97

7. коэффициент затопления отсека К1=0,7

8. высота уровня воды в отсеке h_о=0,6м

9. длина затопленного отсека l_о=18,0м

10. ширина затопленного отсека b=11,0м

11. водоизмещение судна D=3000т

12. метацентрическая высота до посадки на мель h=2 м

13. ширина судна B=11,3м

14. длина судна L=96м

15. масса станового якоря Ря=1,9т

16. тяговое усилие лебедки F=27кН

17. грунт-песок

Раздел №1. Расчет крепления палубного груза.

1. Расчет сил действующих на груз

Суммарные силы Р_у и Р₁z, действующие соответственно по осям ОУ и ОZ при бортовой качке рассчитываются по формулам:

Р_у = mg sinθ + m 4π²/T₁²(z+r)sinθ + P_b

P_y = 80∙0,5 + 8,17∙4∙3,14²/81∙(3,5+5)∙0,5 + 0 = 51 кН

r = 0,5 ∙ h_b = 0,5 ∙ 4 = 2м

P_1z= mg cosθ + my 4π²/T₁² sinθ + mr 4π²/T₁² cosθ

P_1z=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 P_x и P_2z, действующие соответственно по осям ОХ и ОZ при килевой качке, определяются выражениями

Р_х= mg sinψ + m4π²/T₂²zsinψ + m4π²/ T₂² r ∙ sinψ

Р_х = 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

Р_2z = mg cosψ + mx 4π²/T₂²sinψ + mr4π²/T₂²cosψ

P_2z = 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 h_в, где h_в ожидаемая высота волн в районе плавания, м

Р_в – сила ветра, Р_в - 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:

R_y = P_y/(t₁∙sinά₂) = 51 кН/(3sin30^o) = 34 кН

Реакция найтовов от усилий, направленных параллельно диаметральной плоскости судна рассчитывается по формуле:

R_x = P_x/(t₂∙sinά₃) = 13,6кН/(2sin30^o) = 13,6 кН

Где t₁, t₂ – количество найтовов в поперечной и продольной плоскостях

ά – наименьший угол наклона найтовов к вертикали, принимаемый равным 30^о

P_y, P_x – усилия действующие вдоль оси OY и вдоль оси ОХ

Значения R_y и R_x являются рабочими нагрузками найтовов, и для получения разрывных усилий их следует умножить на коэффициент запаса прочности, принимаемый равным 3

Т_раз = 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:

Т_ш = 0,136∙N = 0,136∙1300л.с.∙0,735Вт/л.с. = 130кН

Принимаем упор винта в швартовом режиме равным сопротивлению воды движению судна R_i при максимальной скорости последнего без буксира:

Т_ш = 130 кН = R_б1

Далее определяем сопротивление, соответствующее различным скоростям хода:

R_i-1= R_i∙(V_i-1²/V_i²)

Где R_i, R_i-1 – сопротивление воды движению судна при скоростях V_i и V_i-1

Сопротивление винтов буксируемого судна определяем по эмпирической формуле:

R_в = К₁∙Q₁∙d_в²∙V²= 500∙0,6∙1,5²∙V² = 675∙V²

Где Q₁ – дисковое отношение винта

d_в – 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:

R_б.о. = R^′_i-1+R_вi-1, где R^′_i-1 – сопротивление корпуса аварийного судна, оределяемое аналогично R_i-1

Общее сопротивление состава равно:

R_сi-1= R_бi-1+ R_б.о.i-1= R_бi-1+R^′_i-1+ R_вi-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

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:

Т_r = 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:

Т_раз = К_х∙Т_r = 5∙70кН = 350кН

Т_сл =1/2Т_раз = 350/2 = 175кН

Где Т_раз – разрывная прочность буксирного троса

К_х – 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 = Т_r/q = 70 кН/0,87∙25,9Н/м = 3,1∙10³м

a₂ = Т_сл/q = 175 кН/ 0,87∙25,9Н/м = 7,8∙10³м

где а1, а2 – расстояние от нижней точки провиса буксирной линии до начала координат, м

q= 0,87∙q_возд – вес одного метра буксирной линии в воде, Н/м

q_возд - вес одного метра буксирной линии в воздухе, Н/м

Далее рассчитываем отношение:

n₁ = l/a₁ = 120м/3,1∙10³м = 0,039

n₂ = l/a₂ = 120м/7,8∙10³м = 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 T_r и Т_сл

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 Т_г и Т_сл

3. l₁=(2T_rl)/(E_тр∙ F_тр)= (2∙70∙120)/(3,63∙6,15) = 0,75м

l₂=(2T_cлl)/(E_тр∙ F_тр)= (2∙175∙120)/(3,63∙6,15) = 1,88м

где l₁, l₂ – удлинение буксирной линии за счет упругой деформации троса соответственно при Т_г и Т_сл

Е_тр – модуль упругости троса, при расчетах принимаем равным 3,63

F_тр – 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. h_p= ά₁+β = 0,025+1,13 = 1,155м

h_p – общее расхождение судов за счет ά_1, β должно быть больше или равно максимальной высоте волны в районе плавания

Так как h_p=1,155м<4,0= h_в, то необходимо увеличить стрелку провеса путем введения в буксирную линию якорной цепи

Рассчитываем требуемую длину якорной цепи:

ά_тр = h_вβ = 4-1,155= 2,845 м

3∙ά_тр∙а₂²∙а₁² 3∙2,8∙3,1²∙7,8²∙10¹²

l_cт.тр.= --------------- = ------------------------ = 457,7 м

а₂²-а₁² (7,8²-3,1²)10⁶

l_н = 2(l_cт.тр – l) = 2(457,7 – 120) = 675,4 м

l_ц = (l_н∙q_ст.тр.)/q_n = (675,4 ∙ 25,9)/(25∙9,81) = 71,3 м цепи 3,7 смычки

где ά_тр – требуемая весовая «игра» буксирной линии, м

l_cт.тр – общая полудлина буксирного троса с имеющимися параметрами, которая может обеспечить ά_тр

l – имеющаяся полудлина троса

l_н – недостающая длина троса

l_ц – требуемая длина якорного каната

q_ст, q_n – 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((T_н+Т_к)/2) + γ∙V_oi = 100∙10(0,1+0,2)/2 + 1,025∙80,7 = 233т= 2285,7 кН

Где T_н и Т_к – изменение осадки носом и кормой после посадки на мель, м

γ – удельный вес забортной воды, кН/м³

V_oi – объем воды, попавшей внутрь судна через пробоину, м³, рассчитывается по формуле:

V_oi = К₁∙К₂∙l∙b∙h_o = 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

h_o – 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:

Т_ш.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.

F_гин = F_леб∙(n+1)/(1+0,1n) = 27 (6+1)/(1+0,1∙1,6) = 118,1 кН

Где F_{леб –} 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=F_гин/η_я∙Р_я∙9,81 = 118,1/1,7∙1900∙9,81 = 4 якоря

Где Р_я – вес якоря, кН

η_я – коэффициент держащей силы якоря, который равен 1,7

разрывная прочность закрепляемого за якорь троса:

R_раз = 5∙ F_гин = 5∙118,1 = 590,5 кН

Где 5 – коэффициент запаса прочности троса

По R_раз 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∙F_гин 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

F_гин+ Т_ш.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/T_r = 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.

Т_сл>F = 1142,9 кН

Р_раз= 2Т_сл= 2∙1142,9 = 2285,8 кН

Троса с таким Т_раз 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 – (T_ш.з.х.+ Т_г) = 1142,9 – (95,6 + 70) = 977,3 кН

Q₁ = F₁/f = 977,3/0,5 = 1954,6 кН

М₁ = Q₁/g = 199,3 т