boatportal_700x125.jpg

Вы здесь

Заклинивание ледокола во льдах

Заклинивание ледокола во льдах

28.06.2015 Автор: 27

§ 9 Заклинивание ледокола во льдах

Под заклиниванием ледокола во льдах обычно понимают его вынужденную остановку, в результате которой он не в состоянии продолжать движение вперед или

сойти со льда задним ходом. Следует различать заклинивание со всплытием корпуса и без всплытия. В обоих случаях освобождению ледокола от заклинивания препятствуют силы трения между льдом и обшивкой. В первом случае наличие сил трения в основном обусловлено реактивными давлениями, появляющимися в результате всплытия корпуса при налезании на лед, а во втором — реактивными усилиями, которые создаются не действием сил веса судна, а давлением битого льда при сжатии.

Заклинивание со всплытием чаще всего наблюдается при работе ледокола набегами в тяжелых сплошных торосистых льдах. Как правило, при заклинивании со всплытием образуются две зоны контакта корпуса со льдом (по одной с каждого борта), которые обычно располагаются в средней части корпуса с некоторым смещением в нос от миделя. В этом случае в зонах контакта наблюдается интенсивное смятие и дробление льда (рис. 63, а). Реже при заклинивании со всплытием образуются три зоны контакта: две — в средней части корпуса и одна — в районе форштевня. Возможно также заклинивание ледокола при наличии одной зоны контакта — в районе форштевня и прилегающих к нему участков бортов корпуса.

При выводе аналитических выражений для условий заклинивания будем считать, что судно находится в равновесии. Будем полагать также, что зоны заклинивания расположены симметрично с обоих бортов, т. е. что силы трения и реактивные нормальные давления со стороны льда симметричны относительно диаметральной плоскости. Дифферентом и креном судна при заклинивании будем пренебрегать, что упростит решение задачи и не внесет существенных погрешностей. Систему координат выберем таким образом, чтобы плоскость xoz совпала с диаметральной плоскостью, плоскость yoz — с плоскостью миделя и плоскость хоу — с плоскостью ватерлинии. При исследовании процесса заклинивания необходимо определить усилия, удерживающие судно, в зависимости от условий заклинивания и формы обводов корпуса, и, кроме того, оценить эффективность различных средств, направленных на освобождение судна от заклинивания. Определим условия заклинивания ледоколов.

При заклинивании средней частью корпуса со всплытием при двух зонах контакта ледокол находится в равновесии под действием потерянной силы плавучести Q = (wАTS (где w — удельный вес воды, AT — изменение средней осадки и S — площадь ватерлинии), направленной вертикально вниз, двух реактивных сил N (по одной с каждого борта), действующих со стороны льда по направлению нормали к борту в месте контакта, и сил трения F, которые располагаются в плоскостях, касательных к поверхности корпуса в районе заклинивания (рис. 63, б). Составляющие сил нормального давления стремятся сдвинуть ледокол в сторону отрицательных значений х. 

Следовательно, силы трения при заклинивании препятствуют отходу ледокола назад. При отходе назад ледокол скользит по клинообразному желобу, который образуется в результате смятия льда бортами в процессе налезания носовой части корпуса на ледяной покров. Таким образом, ледокол совершает плоско-параллельное движение в вертикальной плоскости. Траектории движения его точек будут представлять собой линии, параллельные батоксам в зонах контакта корпуса со льдом. Таким образом, при заклинивании суммарная сила трения F, действующая с каждого борта, направлена по касательной к батоксу в районе контакта корпуса со льдом.

Будем считать, что силы N и F приложены в середине длины зоны контакта, т. е. в точках О и O1, а потерянная сила плавучести Q лежит в диаметральной плоскости, и линия ее действия проходит через точку С, так что ОС — O1С (рис. 63, в).

Заменим силу Q двумя эквивалентными силами Q/2, приложенными в точках О и O1. Проектируя силы, приложенные в точке О (или O1), на направление касательной и нормали к батоксу, получим следующие уравнения равновесия судна:

где а' — угол между касательной к ватерлинии и диаметральной плоскостью; условие заклинивания ледокола средней частью корпуса представим в виде

Формула (36) позволяет по заданной величине коэффициента трения fCT определить соотношение между углами а' и β', при котором заклинивание ледокола бортами не произойдет.

Заклинивание форштевнем происходит вследствие вползания носа ледокола на лед. После остановки и прекращения работы гребных винтов на передний ход ледокол сможет сойти со льда только в том случае, если самоторможение форштевня и прилегающих к нему участков корпуса о лед будет отсутствовать.

 

Обозначим через Q1 вертикальную силу, возникшую на форштевне в результате вползания ледокола.

Нормальная реакция со стороны льда на корпус Nl действующая с каждого борта, определяется (рис 64) по выражению

 

Заклинивание без всплытия корпуса наблюдается при движении в тяжелых битых льдах большой сплоченности или в канале, проложенном в торосистых льдах. В таких условиях свободному раздвиганию льда в стороны препятствуют крупные льдины или кромки канала. Вследствие этого обломки льда, находящиеся в непосредственной близости к судну, сжимаются. Это приводит к появлению реактивных давлений на корпус, которые в свою очередь вызывают появление значительных сил трения. Очевидно, величина этих сил является неопределенной. При таком заклинивании силы трения направлены по касательной к ватерлинии в носовой части корпуса в сторону носа, а в кормовой — в сторону кормы.

На рис 65 представлена схема действия сил, приложенных к элементу носовой части корпуса ледокола при заклинивании без всплытия. Из рисунка видно, что заклинивание произойдет, если проекция силы нормального давления на ось х будет меньше или равна проекции силы трения на ту же ось, т. е. если

 

Из выражения (38) видно, что по мере увеличения наклона бортов, т. е. при уменьшении угла B', протяженность зоны заклинивания увеличивается. Анализ показывает, что при существующих формах обводов корпуса морских ледоколов заклинивание без всплытия возможно на любом участке носовой ветви ватерлинии.

Аналогично (38) можно получить условие заклинивания без всплытия для кормовой части корпуса ледокола.

Во время ледового сжатия, когда давлению льда подвергается весь корпус от носа до кормы, условие заклинивания без всплытия может быть записано только в самом общем виде:

Анализ выражений (36) и (37) показывает, что исключить заклинивание ледоколов подбором соответствующих характеристик формы обводов корпуса можно лишь для случая заклинивания форштевнем.

Поэтому особое значение преобретает оценка эффективности различных способов освобождения, как-то: работа гребных винтов, перекладки руля, использование креновой и дифферентной систем. В первую очередь для освобождения от заклинивания прибегают к работе гребных винтов на задний ход. Отход назад станет возможным, если величина тяги, развиваемой гребными винтами на швартовом режиме на заднем ходе, будет равна (или больше) проекции суммарной силы трения на ось х. Это равенство можно считать критерием незаклиниваемости ледокола.

Критерий незаклиниваемости для случая заклинивания ледокола средней частью корпуса с двумя зонами контакта определим из уравнений равновесия (31), добавив к силам, изображенным на рис. 63, тягу винтов заднего хода Тз.х;

Используя зависимости (32) и (33) и имея в виду, что cos z' ~ cos B', из системы (40) получим следующее условие для освобождения ледокола от заклинивания с помощью работы гребных винтов на задний ход (критерий незаклиниваемости):

При y' = 90°, когда B' = 90° и а' = 0 (что отвечает заклиниванию вертикальными бортами), условие (42) теряет физический смысл, поскольку в этом случае всплытие корпуса отсутствует, т. е. Q = 0.

На рис. 66 приведены графики ТЗ.Х/Q = f(B') для различных углов а'. Кривые соответствуют значению коэффициента статического трения льда об обшивку fст, равному 0,3. Диапазон изменения этого коэффициента в зависимости от изменения внешних факторов (температуры, наличия снега и др.) сравнительно велик (от 0,2 до 0,8). Принятое значение fст = 0,3 соответствует трению морского бесснежного льда по стали при сравнительно малых отрицательных температурах воздуха. При заданном TЗ.x/Q по этим графикам можно определить значения углов а' и B' в зоне заклинивания, при которых ледокол, работая винтами на задний ход, может сойти со льда.

Используем график рис. 66 для анализа критерия незаклиниваемости, т. е. для анализа работы гребных винтов при освобождении судна от заклинивания, сопровождающегося всплытием с изменением средней осадки от АT=0,1 м до AT = 1 м. Рассмотрим два класса ледоколов: мощный и средний.

При принятых значениях всплытия находим:

для мощного ледокола TЗ.Х/Q = 0,65 при AT = 0,1 м,

Тз.х /Q = 0,065 при AT = 1 м;

для среднего ледокола Тз.х/Q = 0,435 при AT = 0,1 м,

Тз.х/Q = 0,0435 при AT = 1 м.

По графику рис. 66 можно определить, что для fст = 0,3 и AT = 0,1 м мощный ледокол, работая гребными винтами на задний ход, может освободиться, если в зоне контакта а' >= 2,5°, а средний ледокол — при а' >= 7°. При всплытии, когда AT = 1 м, значения этих углов примерно одинаковы для обоих ледоколов. Условие освобождения в этом случае соответствует а' >= 13°. При заклинивании в районе корпуса, у которого а' = 0, что является наиболее тяжелым случаем, даже мощные ледоколы могут освобождаться только при условии, если AТ < 0,1 м.

 

Таким образом, использование работы гребных винтов для освобождения ледокола не обеспечивает выполнения критерия незаклиниваемости в районе миделя. По мере смещения зоны контакта от миделя к носовой оконечности эффективность работы гребных винтов на задний ход повышается. Так, например, в случае заклинивания в районе теоретического шпангоута, где а' ~ 10°, мощные ледоколы, работая винтами на задний ход, могут освобождаться при AT ~ 0,3 м. Результаты проведенных расчетов подтверждаются данными натурных наблюдений.

Для освобождения от заклинивания используют такие средства, как вращение бортовых винтов в разные стороны (работа «враздрай»), перекладку руля с борта на борт, а также совместное действие этих двух средств. В тех случаях, когда с помощью указанных средств освободиться не удается, используют креновую и дифферентную системы. Заклинивание ледокола целесообразно условно разделить на слабое и сильное. Слабое — такое, от которого ледокол может освободиться, работая гребными винтами «враздрай» в сочетании с перекладкой руля за 3—5 мин. Сильное заклинивание — такое, от которого не удается освободиться указанными приемами, и необходимо использовать креновую и дифферентную ситемы.

В общем случае уменьшить силы трения скольжения твердых тел можно за счет снижения как коэффициента трения, так и нормального давления. Коэффициент трения между льдом и корпусом при заклинивании можно уменьшить за счет создания условий, при которых происходит переход статического трения в динамическое, т. е. при перемещении корпуса судна относительно льда. Среднее значение коэффициента динамического трения морского льда по стали fд = 0,1, а статического — fст = 0,3. Видно, что при переводе статического трения в динамическое силы трения могут быть уменьшены в три раза.

Практической мерой, которая уменьшает силы нормального давления при заклинивании со всплытием, является откачивание жидкого балласта, что приводит к пропорциональному уменьшению потерянной силы плавучести, а значит, и сил трения.

Следует отметить, что при использовании различных средств освобождения в ряде случаев может происходить дополнительное обмятие льда в зонах контакта или облом его за счет изгиба. И то и другое способствует опусканию корпуса, т. е. уменьшению нормального давления, что приводит к снижению сил трения. Практика показывает, что процесс освобождения от заклинивания вследствие обмятия льда является длительным.

В настоящее время оценка эффективности использования различных средств освобождения при смятии льда в зонах заклинивания не может быть произведена с достаточной степенью точности. Для этой цели в каждом конкретном случае необходимо знать связь между длиной зоны заклинивания, толщиной льда и величиной всплытия корпуса. При рассмотрении креновой системы будет показано, что облом поля является необходимым, но недостаточным условием освобождения ледокола от заклинивания, поскольку для опускания корпуса после появления изгибных трещин во льду необходимо притопить образовавшиеся льдины.

При заклинивании без всплытия, по-видимому, единственным эффективным средством освобождения будут такие средства, которые переводят статическое трение в динамическое. В этом случае предпочтение перед другими средствами следует отдать креновой системе.

 

Рассмотрим методы освобождения ледокола при заклинивании средней части корпуса с помощью гребных винтов, работающих «враздрай» без перекладок и с перекладками руля.

При работе бортовых винтов «враздрай», а среднего — на задний ход, к ледоколу во время заклинивания прикладываются две независимые системы сил (взаимно уравновешивающиеся силы: вес судна и силу плавучести — из рассмотрения исключаем). На рис. 67 представлена схема действия сил на корпус трехвинтового ледокола. Одна система включает силу тяги среднего винта Tср, работающего на задний ход, потерянную силу плавучести Q, силы нормального давления N, а также силы трения F0, действующие на каждый борт и направленные по касательным к батоксам. Другая система состоит из сил тяги бортовых винтов (левого — «назад») Т'л и (правого — «вперед») Тпр и сил трения F1 и F2, направленных по касательным к действующей ватерлинии. Таким образом, на каждом борту в зоне заклинивания действуют две силы трения: на левом — F0 и F1 и на правом — F0 и F2.

где а — половина расстояния между бортовыми винтами; В — ширина ледокола.

Равнодействующие сил трения на левом и правом бортах отличаются по величине. Будем принимать за необходимое и достаточное для освобождения ледокола от заклинивания условие, при котором равнодействующая сил трения хотя бы на одном борту достигала значения, равного fCTN. Для существующих ледоколов значения отношений а/В и Та.х /T (где Та.х — тяга гребного винта на заднем ходу, а Т — на переднем) могут быть приняты соответственно равными 0,25 и 0,65. Тогда, поскольку в рассматриваемом случае равнодействующая сил трения на левом борту FR оказывается больше, чем на правом, освобождение от заклинивания наступит при FR = fCTN. Из силового треугольника для сил трения на левом борту следует, что

где А — угол между равнодействующей сил трения и плоскостью ватерлинии.

Значение cos А для средней части корпуса ледоколов приближенно равно единице. Тогда

Приравнивая F1 в (44) и (45) и считая, что в этом равенстве FR = fCTN, а также беря F0 и N из выражения (43), получим следующее условие освобождения ледокола от заклинивания при работе гребных винтов «враздрай»:

Расчеты, проведенные по выражению (46), сведены в табл. 9. Как видно из таблицы, использование работы гребных винтов «враздрай» для освобождения ледокола от заклинивания является неэффективным средством даже при сравнительно небольших всплытиях. Так, например, мощные ледоколы, работая винтами «враздрай», в состоянии сойти со льда при всплытии, когда AТ <= 0,2 м, если зоны заклинивания расположены в нос от 5 или 6-го теоретического шпангоута.

 

Работа бортовых гребных винтов «в раздрай» с одновременной перекладкой руля при освобождении ледокола от заклинивания используется для увеличения вращающего судно момента. В этом случае в результате действия воды, отбрасываемой средним винтом на руль, к судну кроме рассмотренных выше сил прикладывается усилие Qp (см. рис. 67), значение которого при оценке эффективности такого способа освобождения с достаточной степенью точности может быть получено по формуле

При наличии усилия Qp, в выражении (44) для силы трения на левом борту (см. рис. 67) появится дополнительное слагаемое, в результате чего эта сила окажется равной:

Тогда условие (46) для освобождения при работе винтов «враздрай» применительно к рассматриваемому случаю приобретет вид:

Плечо lр силы Qp относительно центра вращения, расположенного в ДП посредине зон заклинивания, представим в виде зависимости

где r = В — длина зоны заклинивания.

Учитывая сказанное и принимая отношение L/B = 4,8 при угле перекладки руля ар = 35°, окончательно получим:

Значения Qp для мощных и средних ледоколов, полученные из (47), можно принять соответственно равными 12 и 8 тс. В табл. 10 сведены результаты расчетов по формуле (48).

Из сопоставления табл. 9 и 10 видно, что хотя перекладка руля при работе гребных винтов «враздрай» несколько увеличивает эффективность освобождения ледокола от заклинивания, однако этот способ также не решает задачу борьбы с заклиниванием.

Так, в наиболее тяжелых случаях при заклинивании в районе миделя (а' = 0) с помощью работы гребных винтов и руля ледоколы способны освобождаться лишь при сравнительно небольших всплытиях (AТ ~ 0,1 м).

Как было показано в настоящем параграфе, величина сил трения, удерживающих ледокол в заклинивании со всплытием, определяется потерянной силой плавучести. Для того чтобы судоводители смогли оценить степень заклиниваемости ледокола во льдах, а в соответствии с ней применить необходимые средства освобождения, в штурманской рубке должны быть установлены приборы — осадкомеры, позволяющие определять изменения посадки судна в процессе заклинивания. «Слабое» заклинивание будет характеризоваться изменением средней осадки AТ до 0,15 м, а «сильное» — при AТ > 0,15 м.

Boatportal.ru

logo