船舶坐滩搁浅后的稳性研究

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1、船舶坐滩搁浅后的稳性研究冯明奎 ? 钟成雄摘? 要?主要研究船舶坐滩搁浅情况下稳性变化的规律, 讨论由于潮位的下降而出现负初稳性时, 临界吃水的计算方法, 分析一般船型的船舶可能处于负稳性的现象, 提出搁浅后脱浅的方法。关键词?船舶稳性? 静稳定性? 搁浅0 ? 引言船舶在航行过程中, 由于各种因素的影响会造成船舶搁浅, 轻者使船舶失去机动性, 重者造成船舶 破损进水, 同时使船舶稳性恶化。本文主要讨论船舶在高潮时搁浅, 当退潮时随着船舶吃水的下降, 造成稳性恶化的情况, 以及采取脱浅措施时应注意的船舶稳性问题。1 ? 船舶搁浅后初稳性的变化1?1? 受力分析 当船舶龙骨水平坐滩后, 随着潮位

2、的下降, 船舶的吃水、 排水量和浮力都不断减小, 同时, 海底对船舶的反作用力逐渐增大。设在某一吃水 d 时, 船舶的浮力为 ?, 反作用力为 R, 船舶的重力为 W, 如图 1所示。图 1? 船舶坐滩后的受力分析图1?2? 受力平衡条件设船舶在重力、 浮力、 坐滩反作用力等静力作用 下的平衡条件为: W= ?+ R( 1)? ? 设船舶的重心距基线高为 Zg, 把反作用力 R视作在船底卸去的载荷, 船舶新的虚拟重心距基线高为 Zg1, 则: Zg1= W?Zg/ ?( 2)作者单位: 冯明奎、 钟成雄 公安海警高等专科学校(315801)收稿日期: 2000- 08- 14? 设吃水为 d

3、时稳心距基线高为Zm, 则此时的初 稳心高: h1= Zm- Zg 1= Zm- W?Zg/ ?( 3)1?3? 船舶初稳性分析由( 3) 式可知, 船舶搁浅时, 其初稳性主要取决于 Zm- W?Zg/ ?值。1 当 Zm W?Zg/ ?时, h1 0, 此时回复力矩的方向与横倾方向相反, 当外界干扰力消失后, 船舶能回复到原来的平衡状态, 称为稳定平衡, 船舶能保持正浮状态。2 当 Zm W?Zg/ ?时, 才能保证船舶的稳性。当潮位下降, 吃水减小, 船舶何时从正初稳性变为负初稳性, 这一点可从式( 3) 分析出来。船舶坐滩后, 在船舶吃水不断下降的过程中, 初稳性从正变到 负, 即船舶由

4、稳定平衡状态变为不稳定平衡状态。对应于一定的吃水, 船舶有一定的排水量 ?和初稳心距基线高Zm, 这可根据吃水从船舶静水力曲线图中查得。如果据此作出吃水和 ?Zm的关系 曲线, 则可根据 Zm= W?Zg/ ?, 即 ?Zm= W?Zg的关系, 确定船舶坐滩以后, 随着退潮, 船舶从稳定状态转化为不稳定状态的临界吃水 d临。船舶的 ? ?Zm与d 的关系曲线如图 2 所示。船舶坐滩前, 其重量为 W, 重心垂向高为 Zg。在横坐标轴上取 W?Zg值点, 与曲线相交后作纵坐标 d, 即 d 为临界吃水d临。确定了临界吃水 d临, 就可估算船舶是否会出现负初稳性现象。若出现, 则需要?14? ?

5、JS? 2001- 3- 05?江苏船舶 JIANGSU SHIP? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 第 18卷? 第 3期? ? ?了解船舶开始倾斜的时间。只要知道搁浅地每小时的潮差 d!( m/ h) , 就可用下式求得从搁浅到负初稳性的时间: ? ? t= ( d0- d临) / d!( 4)式中: d0 刚坐滩时的吃水, m。在这个时间以前, 应做好预防措施, 防止船舶倾斜甚至倾覆的事故发生, 如在船外两舷同时支撑或 带缆等。例如某一船舶, 取一系列的吃水, 查静水力曲线的 ?及Zm值, 如表 1。 表 1? 某船的 ?及Zm在不同吃水时的值d( m)1. 41. 61. 82

6、. 02. 22. 42. 6?( t)154202255312. 8374. 8438502Zm( m)4. 274. 444. 634. 444.244. 103. 99?Zm ( t?m)656. 8891. 8 1 180. 71 387. 31 589. 51 793. 62 004. 5? ? 画出相应的 ?Zm d 的关系曲线, 如图 2所示。根据此曲线, 可查出该船舶在任意装载情况下的临界吃水值。若该船坐滩前重量 W = 389. 50 t, 重心高 Zg= 3. 05m, 则 W?Zg= 389. 50 3. 05=1 188t?m, 在横轴 1 188t?m 处作垂线与曲线

7、相交,通过交点作水平线, 得临界吃水 d临= 1. 81m。这样 根据当时当地的潮汐情况, 判断退潮时是否会使船舶吃水小于临界吃水, 然后采取相应的安全措施。图 2? 船舶的 ?Zm d 曲线2 ? 在最低潮位时船舶的稳性情况分析我们可以根据当时当地的潮汐变化规律及水深情况, 预测最低潮位时船舶的最小吃水, 计算船舶的静稳性力臂曲线, 并根据当时的海况、 气象条件, 分 析船舶的安全性。2?1? 在最低潮位时, 船舶的初稳性高为正值设在最低潮位时, 船舶的吃水为 d, 排水量为?, 横倾 ?角后坐滩反力近似看成作用在 K 点( 偏 于安全) , 受力分析如图 3 所示。? ? 船舶的回复力矩?

8、 MR= ? ?( KN - KH )- R?KH其中KH = Zg?sin? , 把式( 1) 代入整理得? MR= ?(KN- W?KH / ?)= ?(KN- W?Zg?sin? / ?)( 5)根据式( 2) , 有 Zg 1= W?Zg/ ?, 代入( 5) 式, 得? MR= ?(KN- Zg1?sin? )= ?lSlS= KN- Zg1?sin?( 6)图 3? 船舶横倾 ?角后的受力式中: lS 吃水 d 时的静稳性力臂;KN 船舶在吃水 d 时的形状稳性力臂, 其 大小仅与浮心位置的横移距离有关。根据式( 6) , 由吃水查静水力曲线得此时的排水体积 ?, 然后根据 ?查形

9、状稳性力臂曲线得到KN,即可计算出船舶坐滩后的静稳性力臂曲线。再根据 当时的海况、 气象条件等分析船舶的安全性。例如, 上例中在吃水 d = 2. 0m 时, 查静水力曲线?= 312. 8m3, 则船舶坐滩后虚拟重心高度 Zg1=W?Zg/ ?= 389. 50 3. 05/ ( 312. 8 1. 025) = 3. 71 m。查船舶形状稳性力臂 l?曲线图, lS计算如表 2 所示, 其静稳性曲线如图 4 所示。表 2? lS的计算结果表?10#20 #30 #40 #50 #60#l?0. 761. 422. 022. 572. 993. 27Zg1?sin?0. 641. 2671.

10、 8532. 3822. 8383. 208lS0. 120. 1530. 1670. 1880. 1520. 0622?2? 在吃水下降过程中, 会出现负初稳性现象。用同样的方法画出船舶的静稳性曲线, 曲线一般为下 列二种情况。? ?1 船舶在横倾过程中其静稳性力臂值都为负值, 即船舶坐滩搁浅后当出现负初稳性时一般呈现 的情况, 其静稳性力臂曲线如图 5 中曲线 所示。此时, 船舶任意横倾角时产生的回复力矩方向都与 倾斜方向相同, 因此, 原来平衡的船舶处于不稳定的平衡状态。当可能出现这种情况时, 要及时做好防倾工作, 如在两舷舷外同时支撑和带缆, 抛八字锚等 方法。必要时卸去高处载荷, 或

11、把高处载荷垂直移?船舶设计与研究?冯明奎等? ? 船舶坐滩搁浅后的稳性研究? ? ? ? ?15? ? ? ? ?向船底部等措施, 预防船舶由于吃水减少而倾覆。2若计算得的静稳性曲线如图 5 中曲线 %所示, 则船舶原来正浮位置的平衡状态为不稳定平衡状态, 船舶受外界干扰力( 风或浪作用) 影响, 外力消失后船舶平衡于 ?1角。此时只能先消除负初稳性,然后再扶正。可采取垂直下移载荷或对称去掉高处 载荷, 也可在底舱对称加压载水。当初稳性恢复到正值后, 船舶自然恢复到原来的正浮平衡位置。图 4? 搁浅船舶初稳性为正值时的静稳性曲线图 5? 初稳性出现负值时的曲线情况3 ? 船舶坐滩后脱浅方案的确

12、定3?1? 自力脱浅船舶搁浅后, 经过必要的调查, 应根据具体的情 况, 争取时间, 用最有效的办法脱浅, 特别是在高潮时坐滩更应抓紧时间采取措施脱浅。若时间不允许, 也可等到搁浅后第一次高潮时进行。船舶自力脱浅一般采取倒车方法。此时必须是船舶尾部未搁 浅, 螺旋桨还可以继续工作, 一般搁浅较轻, 即吃水减少不多, 船舶坐滩力不大时可采取自力脱浅方法。具体有关准备工作完成后即可倒车脱浅, 倒车一般应从慢速逐渐增至高速。若这样做拉不动船舶, 可 以改为直接高速倒车, 增加倒车拉力, 使船舶脱浅。连续高速倒车时间不要过长, 应注意间歇停车, 以免损坏机器。当海水( 江河水) 混夹泥沙严重时, 应加

13、强机器冷却系统的检查, 防止被泥沙堵塞, 使主机无法工作。在吸力较大的粘泥底处脱浅, 倒车前可用 车舵扭动船体, 减小吸力后再倒车脱浅, 当然此时必须注意船舶的稳性是否足够。3?2? 外力脱浅当船舶确信用自力不能脱浅而请求外援时, 常采用拖曳脱浅。拖曳前搁浅船舶应将相关情况, 包 括吃水损失、 破损范围、 机器动力能利用的程度、 搁浅区的水深、 底质、 风浪等条件, 以及所需的拖力等向求援拖轮单位报告, 以便派遣有足够功率的拖船。3?2?1? 搁浅船舶脱浅所需拖力的估算方法 船舶脱浅所需拖力: R拖力= R摩擦力脱浅摩擦力 R摩擦力= f ?R式中: f 船体与海底的摩擦系数, 随海底底质而

14、不同, 一般取 f稀粘土= 0?18 0?22, f软粘土= 0. 230. 30, f粘土砂= 0. 30 0. 32, f细砂= 0. 35 0. 38R 为上面所讨论的坐滩反力, 可根据当时吃水估算 拖缆固定好后, 拖船的主机也应由慢速逐渐增至全速。搁浅坐滩船舶如能倒车, 则在拖缆受力时,突然倒车, 帮助离浅。 3?2?2? 拖曳脱浅时的稳性分析拖船拖力的大小直接影响到搁浅船舶的稳性,其作用有如高部载荷, 使脱浅船舶的稳性更加恶化,因此必须首先分析其对稳性的影响。 设拖船的拖力为 P, 作用点高为 ZP, 受力分析如图 6 所示。? 分析拖力 P 的垂直分力PZ对初稳性的影响PZ = P

15、?sin , 在力 PZ作用下, 船舶虚拟重心距基线高? ? Zg2=?Zg 1+ PZ?ZP ?+ PZ 初稳性变化为: ! h = - (Zg2- Zg1)= - (?Zg1+ PZ?ZP ?+ PZ- Zg1) ( 7)图 6? 拖力作用时的受力分析? 由上式可知, 在拖曳过程中, 同样要注意船舶初稳性的下降, 更要防止出现负初稳性, 一般要求初稳 性下降| ! h| &30%h满载。具体的方法是使拖力限制在允许的范围内, 拖缆着力点的高度尽可能低。参考文献1? 蒋维清等. 船舶原理. 北京: 人民交通出版社, 19922? 古文贤. 船舶操纵. 大连:大连海事大学出版社, 19923? 张耀祖等. 水面舰艇生命力. 武汉: 海军工程大学出版社, 1989? 16? ? ? ? ?船舶设计与研究?冯明奎等? ? 船舶坐滩搁浅后的稳性研究