王海燕,吳華琴
(鄭州機(jī)電工程研究所,河南鄭州 450015)
用來(lái)盛放壓載物的艙室稱作壓載艙,壓載物是使船舶穩(wěn)定便于操作的重物,通常為海水。壓載物的作用主要表現(xiàn)為:在船舶空載時(shí)保持一定深度的吃水不至于傾覆。在船舶負(fù)載狀態(tài)下,用壓載物在各個(gè)壓載艙之間壓載和調(diào)節(jié),使得船舶在特定的水域中順利安全地航行。
根據(jù)船舶的航行區(qū)域和特殊作用,設(shè)計(jì)特殊的壓載艙位置。文中所舉例子的船舶壓載艙設(shè)計(jì)在船舶的兩翼。圖1為船舶艙室的俯視圖,船舶共有16個(gè)艙室,1~8號(hào)艙室為壓載艙,9~16號(hào)艙室為貨物艙。當(dāng)不同貨物艙裝貨時(shí),要選擇不同的壓載艙配平,在貨物艙注入貨物時(shí),要調(diào)節(jié)壓載艙進(jìn)水閥流量來(lái)保持船舶即時(shí)平衡。
當(dāng)某個(gè)貨艙中注入貨物時(shí),選擇哪個(gè)壓載艙才能避免船舶偏載?選擇哪個(gè)壓載艙最優(yōu)?下面舉例說(shuō)明。
圖1中,O點(diǎn)為船舶橫向和縱向的中心。如果14號(hào)艙裝貨后,應(yīng)該選擇哪個(gè)壓載艙注水來(lái)達(dá)到船體平衡?從圖上可看出,14號(hào)艙的重心O14對(duì)船中心O力臂為恰好在同一直線上,且3所以,如果14號(hào)艙裝貨后,選擇4號(hào)艙注水可以達(dá)到船體平衡,注水重量是貨物重量的1/3,即3g14=g4。同理,13號(hào)艙裝貨后,選擇8號(hào)艙注水,3g13=g8;15號(hào)艙裝貨后,選擇5號(hào)艙注水,3g15=g5;16號(hào)艙裝貨后,選擇9號(hào)艙注水,3g16=g9,可以達(dá)到船體平衡。
圖1 船舶艙室的俯視圖Fig.1Planform of cabins
如果10號(hào)艙裝貨后,應(yīng)該選擇哪個(gè)艙注水來(lái)達(dá)到船體平衡?從圖中可看出,任何壓載艙的重心都不在直線上,而4號(hào)艙和8號(hào)艙的重心連線有1個(gè)交點(diǎn)Oy,即同時(shí)在4號(hào)艙和8號(hào)艙注水使得其總體的重心在Oy,船體有可能平衡。若艙室的長(zhǎng)和寬分別為2a和2b,在船體平衡時(shí)滿足公式:
同理可以推出,9號(hào)艙裝貨時(shí),給4號(hào)和8號(hào)艙注水可以平衡,注水量為
11 號(hào)艙裝貨時(shí),給1號(hào)和5號(hào)艙注水可以平衡,注水量為
12 號(hào)艙裝貨時(shí),給1號(hào)和5號(hào)艙注水可以平衡,注水量為
要確定船舶穩(wěn)心高、重心高和浮心高,首先確定一個(gè)固定基準(zhǔn)面。船舶正浮時(shí),將穩(wěn)心、重心和浮心到基準(zhǔn)面的高度分別用表示[3]。
圖2 船舶橫截面Fig.2Cross section of ship
由圖可見(jiàn):
可得:
將貨物重心從船舶中垂線位置g0水平右移到g1,此時(shí)系統(tǒng)的重心位置由G1平行右移到G2,可得:
由圖可見(jiàn):
可得:
如圖3所示,系統(tǒng)重心在G1時(shí),水線在直線W0S0上,浮心在B1;系統(tǒng)重心在G2時(shí),船舶傾斜角度θ后再次平衡,水線為W1S1,浮心在B2,重力和浮力作用在垂線B2M上,大小相等方向相反。r為船舶橫剖面的半寬,L為船舶縱向全長(zhǎng),V為系統(tǒng)的排水量[4]。
圖3 船舶橫截面Fig.3Cross section of ship
r(在角度很小的條件下成立),所以變化的水體對(duì)原心O的體積力矩為
實(shí)際上,2條水線之間的水體積力矩等于浮力體積力矩[5],因此
船舶正浮時(shí),浮心位置可以通過(guò)吃水量和浮心曲線查出,浮心位置是吃水量的函數(shù)。確定浮心高度后,穩(wěn)心高度KM可定:
排水量和系統(tǒng)總重的關(guān)系為
式中:ρ為水密度;g為重力加速度。又有式(1),所以
式中:V為g0的函數(shù)。
令
從圖3可見(jiàn):
結(jié)合式(4)、(16)和式(17)可知:
從式(21)來(lái)看,知道貨物的重量和重心后,可以推算出船舶傾斜角度。對(duì)于已知貨艙,貨物重心位置距離船舶中心的位置是一定的,即已知。所以,當(dāng)貨艙不斷注入貨物時(shí),tan θ會(huì)隨著g0的增加而變化。當(dāng)傾角達(dá)到船舶允許的最大傾斜角后,就必須給壓載艙注入壓載物使得船舶避免過(guò)度傾斜。假如9號(hào)艙裝貨時(shí),要給4號(hào)和8號(hào)艙注入壓載水實(shí)現(xiàn)平衡,控制4號(hào)艙和8號(hào)艙的壓載閥速度使得注入壓載水的重量和貨物的重量滿足式(2)。利用計(jì)算機(jī)可以對(duì)壓載閥的開(kāi)閉以及開(kāi)閉角度實(shí)現(xiàn)有效控制,從而控制壓載物的注入速度和流量[3]。
本文根據(jù)船舶受力分析,推導(dǎo)計(jì)算出船舶傾角和貨物重量以及重心的關(guān)系。為使船體保持靜態(tài)平衡,文中也推導(dǎo)出注入壓載物的重量和貨物重量的關(guān)系。這對(duì)于計(jì)算機(jī)控制的閥門控制系統(tǒng)非常有效,只要通過(guò)程序來(lái)設(shè)定壓載閥流速就可以控制壓載物的流量,從而保持船體隨時(shí)滿足靜態(tài)平衡狀態(tài)[6]。
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