работа по управлению судном

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 Т1н=3,0м

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

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

	осадка кормой после посадки на мель Т2к=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.

	

	Расчет сил действующих на груз

	

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

	

	Ру = mg sinθ + m 4π2/T12(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/T12 sinθ + mr 4π2/T12 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 P2z, действующие соответственно по осям ОХ и ОZ при килевой качке, определяются выражениями

	

	Рх= mg sinψ + m4π2/T22zsinψ + m4π2/ T22  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/T22sinψ + mr4π2/T22cosψ            

	

	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-12/Vi2)

	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∙dв2∙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+Rвi-1, где R′i-1 – сопротивление корпуса аварийного судна, оределяемое аналогично Ri-1

		Общее сопротивление состава равно:

	Rсi-1= Rбi-1+ Rб.о.i-1= Rбi-1+R′i-1+ Rвi-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:

	                         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∙103м

	a2 = Тсл/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∙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∙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.

	 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

	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

	l1=(2Trl)/(Eтр∙ Fтр)= (2∙70∙120)/(3,63∙6,15) = 0,75м

	         l2=(2Tcлl)/(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

	 ά1 = 2∙((l-x1)-(l-x2)) = 2∙(0,03-0,005) = 0,025м

	ά1 – изменение расстояния между судами за счет изменения формы буксирной линии

	β=l2-l1= 1,88-0,75 = 1,13м

	β – изменение длины троса, обусловленное его упругой деформацией

	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 = hвβ = 4-1,155= 2,845 м

	

	              3∙άтр∙а22∙а12         3∙2,8∙3,12∙7,82∙1012

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

	               а22-а12                   (7,82-3,12)106

	

	lн = 2(lcт.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

	       lcт.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