Лабораторная работа №10

 

«Крепление груза при подготовке к плаванию в штормовых условиях»

 

Цель: Приобретение опыта расчета крепления палубного груза с учетом штормовых условий плавания в море.

Задачи: При выполнении лабораторной работы по данной теме производятся расчеты следующих разделов:

1. Определение сил, действующих на груз при бортовой и вертикальной качке.

2. Определение сил, действующих на груз при килевой и вертикальной качке.

3. Крепление груза:

3.1. Расчет усилий, возникающих в найтовах при бортовой качке;

3.2. Расчет усилий, возникающих в найтовах при килевой качке;

3.3. Расчет крепления грузов.

 

Условия расчета: На крышки грузовых трюмов судна смешанного плавания (СП) загружен контейнер (груз-тяжеловес), который крепиться найтовыми.

Схема размещения груза приведена на рис.10.1

Рис.11.1. Схема размещения груза

1 – найтовы; 2 – крышка грузового трюма; 3 – корпус судна;

4 – фальшборт; 5 – контейнер

1. Определение сил, действующих на груз при бортовой

и вертикальной качке

 

Схема сил, действующих на груз при бортовой и вертикальной качке представлена на рис. 10.2.

Рис.11.2. Схема действующих на груз сил при бортовой

и вертикальной качке

 

где  – максимальная суммарная сила, действующая на груз в поперечном направлении, кН;

 – максимальная поперечная составляющая сил инерции и тяжести, кН;

 – поперечная составляющая динамического давления ветра, кН;

 – поперечная составляющая гидродинамических ударов волн, кН;

 – суммарная составляющая сил инерции и тяжести, действующая по оси  при бортовой качке, кН.

 

При бортовой качке на груз действуют силы инерции и тяжести, максимальную суммарную поперечную составляющую которых по оси  можно определить по выражению

,

(10.1)

где , ,  – координаты ЦМ (центра масс) груза, относительно ЦМ судна, м;

 – радиус перемещения орбиты ЦМ судна при вертикальной качке, м.

Определяется как:  ;

 – высота волны, м;

– масса груза, т;

 – ускорение свободного падения, ;

 – угол крена, рад и град.;

 – период собственных поперечных колебаний судна (период бортовой качки), с.

 

Это усилие смещает груз и создает опрокидывающий момент.

Принимая  и округляя значение вводных данных до десятых долей, получим расчетное выражение:

.

(10.2)

 

1.2. Суммарная составляющая сил инерции и силы тяжести, действующая по оси , определяется по выражению

.

(10.3)

Это усилие нагружает палубу и обеспечивает устойчивость груза.

Действуя таким же образом, как и в формуле (10.2) при , получим расчетное выражение:

.

(10.4)

 

1.3. Динамическое давление ветра на палубный груз можно определить по формуле

,

(10.5)

где  – площадь парусности боковой поверхности груза, .

,

где  – длина груза, м;

 – высота груза, м.

При  получим расчетное выражение

.

(10.6)

 

1.4. Усилие, вызванное гидродинамическими ударами воды при заливании груза, можно определить по формуле

,

(10.7)

где  – площадь заливания боковой поверхности груза, .

,

где  – высота заливания груза, м;

 – гидродинамическое давление воды,  (снимается с графика рис. 10.3 в зависимости от высоты заливания груза).

1.5. Сила, воздействующая на груз в поперечном направлении

,

(10.8)

где  – максимальная суммарная сила, действующая на груз в поперечном направлении, кН.

 

Примечание. Уменьшение силы  за счет сил плавучести палубного груза здесь не учитывается так же, как и не учитывается ее увеличение за счет натяжения найтовых.

При определении площади поверхности груза, подверженного воздействию ветра, следует учитывать наличие несплошных поверхностей, а для цилиндрических поверхностей, расположенных перпендикулярно направлению ветра, необходимо вводить коэффициент обтекания, равный 0,6.

 

Рис. 10.3. График зависимости гидродинамического давления воды

от высоты заливания груза

Например:  м;  кН/м;  м;  кН/м

 

 

2. Определение сил, действующих на груз при килевой

и вертикальной качке

 

Схема сил, действующих на груз при килевой и вертикальной качке показана на рис.10.4.

Рис. 10.4. Схема действующих на груз при килевой

и вертикальной качке

 

где  – максимальная продольная составляющая сил тяжести и инерции, кН;

 – суммарная составляющая сил инерции и тяжести, действующая по оси  при килевой качке, кН;

 – продольная составляющая динамического давления ветра, кН;

 – продольная составляющая гидродинамических ударов волн, кН;

 – максимальная суммарная сила, действующая на груз в продольном направлении, кН.

 

2.1. Максимальную суммарную составляющую сил инерции и тяжести можно определить по выражению

,

(10.9)

где  – угол дифферента, рад и град.;

 – период собственных продольных колебаний судна (период килевой качки), с.

Принимая, получим расчетное уравнение:

.

(10.10)

 

2.2. Суммарная составляющая сил инерции и силы тяжести, действующая по оси , определяется по выражению

.

(10.11)

Исходя из принятого , расчетное уравнение примет вид:

.

(10.12)

 

2.3. Динамическое давление ветра на палубный груз можно определить по формуле

,

(10.13)

где  – площадь парусности лобовой поверхности груза, .

,

где  – ширина груза, м;

 – высота груза, м.

 

2.4. Усилие, вызванное гидродинамическими ударами воды при заливании груза, определяется по формуле

,

(10.14)

где  – площадь заливания лобовой поверхности груза, .

,

где  – высота заливания палубного груза, м.

 

2.5. Сила, действующая на груз в продольном направлении

,

(10.15)

где  – максимальная суммарная сила, действующая на груз в продольном направлении, кН.

 

3. Крепление грузов

 

3.1. Расчет усилий, возникающих в найтовах при бортовой качке

 

Рис. 10.5. Схема опрокидывающих моментов

 

Произведем расчет усилия, возникающего в найтовах под действием опрокидывающих моментов, при этом составим уравнение моментов (см. рис.10.5):

.
,	(10.16)

где  – усилие в поперечных найтовах, возникающее от действия опрокидывающих моментов, кН;

 – угол между поперечными найтовами и палубой, град.;

 – ширина груза, м;

 – высота груза, м;

 – расстояние от палубы до точки крепления найтова, м;

 – высота заливания груза, м.

 

Рис.6. Схема сдвигающих сил

 

Расчет усилия, возникающего от смещения груза, определяется из очевидного уравнения:

.

(10.17)

При этом:

;
,

где  – коэффициент трения, ед.;

– сила реакции опоры, кН.

 

При расчете усилия  в поперечных найтовах, возникающее от сил смещения груза, силу трения не учитываем, так как груз установлен на верхней палубе, а коэффициент трения  принимается равным нулю, кН.

Тогдаиз уравнения (10.17) получаем выражение

,

(10.18)

3.2. Расчет усилий, возникающих в найтовах при килевой качке

 

При килевой качке опрокидывание тяжеловесу не угрожает, поэтому он остается в равновесии, если:

(10.19)

с учетом того, что и .

Здесь  – угол между продольными найтовами и палубой, град., получим расчетное значение

,

(10.20)

где  – усилие в продольных найтовах, возникающее от действия сил, смещающих груз, кН.

 

3.3. Расчет крепления грузов

 

3.3.1. Расчет разрывного усилия и количества поперечных найтовых.

 

При расчете разрывного усилия в найтовых следует принимать коэффициент запаса  не менее 3 при креплении груза на открытой палубе, так как рабочая нагрузка должна составлять 1/3 разрывного усилия в тросе. При этом:

,

(10.21)

где  – разрывная нагрузка на поперечные найтовы, кН;

 – рабочая нагрузка на поперечные найтовы, равная  или , кН.

Тяжеловес с одного борта может быть закреплен одним из следующих вариантов:

1. Двумя найтовыми с разрывной нагрузкой около ;

2. Тремя найтовыми с разрывной нагрузкой около ;

3. Четырьмя найтовыми с разрывной нагрузкой около ,

где – количество поперечных найтовых одного борта.

 

В зависимости от выбранного варианта и в соответствии с разрывной нагрузкой по ГОСТ (см. Приложение 3) выбираем диаметр стального троса. При этом учитываем, что для крепления тяжеловесов применяются тросы диаметром 18-27 мм.

 

3.3.2. Расчет разрывного усилия, диаметра и количества продольных найтовых.

,

(10.22)

где  – рабочая нагрузка на продольные найтовы, равная , кН;

 – разрывная нагрузка на продольные найтовы, кН.

Выбираем вариант с разрывной нагрузкой:

,

где  – количество продольных найтовых одного борта.

 

Затем в зависимости от разрывного усилия, по ГОСТ 7665-80 (см. Приложение 3) выбираем диаметр троса.

По результатам расчета делается вывод со схемой о закреплении палубного груза на судне для безопасного плавания в море при штормовой погоде.