Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ научно-исследовательских работ по остойчивости машин на волнении. Постановка цели и задач работы 12
1.1 Анализ научно-исследовательских работ 12
1.2 Постановка цели и задач работы 25
Глава 2 Анализ теории остойчивости судов на волнении и применение ее требований к амфибийным машинам 27
2.1 Общие сведения и понятия 27
2.2 Экстремальные условия эксплуатации амфибийных машин, в которых велика вероятность потери остойчивости 37
2.2.1 Характеристики волн и волнений 37
2.2.2 Особенности работы амфибий на волнении с точки зрения остойчивости 44
2.2.3 Особые эксплуатационные случаи 61
Выводы 67
Глава 3 Исследование остойчивости амфибийных машин на волнении экспериментально-расчетным методом 69
3.1 Общие положения 69
3.2 Программа исследований 70
3.3 Объект исследований 71
3.4 Экспериментальная установка 74
3.5 Результаты модельных экспериментов 76
3.6 Результаты расчетов остойчивости серийных амфибийных машин на волнении 89
3.7 Расчет воздействия разрушающегося волнения на амфибию... 105
Выводы 112
Общие выводы и рекомендации 116
Список литературы 119
Приложение А Погрешности измерений 123
Приложение Б Общая характеристика и статистические данные повторяемости волнения в прибрежных морских районах 125
- Экстремальные условия эксплуатации амфибийных машин, в которых велика вероятность потери остойчивости
- Особенности работы амфибий на волнении с точки зрения остойчивости
- Программа исследований
- Результаты расчетов остойчивости серийных амфибийных машин на волнении
Введение к работе
Амфибийные машины (AM) находят многообразное применение в различных гражданских отраслях и в структуре средств вооружения и технического оснащения армии и флота. Амфибийные машины используются, главным образом, в качестве транспортных и тяговых средств, а также в качестве шасси для монтажа различного технологического оборудования и вооружения.
Парк амфибийных машин в гражданских отраслях сравнительно невелик. Эффективное и рентабельное применение здесь амфибийных машин предполагает тщательный и обоснованный выбор транспортных и технологических задач, для решения которых привлекаются амфибийные машины. Как правило, применение амфибийных машин экономически и технически оправдано там, где требуется обеспечить возможность автономного движения машины по местности, где отсутствуют оборудованные переправы через водные преграды и преобладающая доля маршрута движения приходится на территории с развитой речной сетью или на водные пути, в том числе и на морские побережья.
Амфибийные машины оказываются также эффективны в тех случаях, когда удается избежать перевалки грузов с речного (морского) транспорта на сухопутный и обратно, заменить авиатранспорт с присущими ему ограничениями эксплуатации по метеоусловиям и высокой стоимостью перевозок, поднять производительность труда путем механизации технологических и транспортных процессов тех производств, которые ведутся на морских прибрежных мелководных участках, реках, озерах и искусственных водоемах.
Расширение использования амфибийных машин в военных целях полностью отвечает современной тенденции повышения оперативной и тактической подвижности войск. Амфибийные машины составляют неотъемлемую часть технического оснащения сухопутных войск и морской пехоты.
Анализ использования амфибийных машин, в народном хозяйстве позволяет выделить несколько направлений, где подобные машины оказываются незаменимыми или более рентабельными по сравнению с другими транспортными и технологическими средствами, выполняющими те же функции в аналогичных условиях эксплуатации.
Рейдовая разгрузка судов. Сезонное снабжение грузами северного и восточного побережья России осуществляется, главным образом, морским и затем речным транспортом по внутренним водным путям. Большинство арктических портопунктов не имеют причалов и подъемно-транспортного оборудования для грузовой обработки судов- снабженцев. Как показал практический опыт работы судов Северного и Мурманского морских пароходств на линиях снабжения районов Крайнего Севера, применение технологии рейдовой разгрузки судов с использованием амфибийных буксировщиков и морских платформ на воздушной подушке позволило в несколько раз поднять производительность, улучшить условия и безопасность труда и сократить время стоянки судов под разгрузкой. Сложная проблема надежной и экономически эффективной доставки грузов морским транспортом в районы Крайнего Севера и Дальнего Востока стимулирует поиски новых.технических решений как на уровне отдельных машин, так и на уровне транспортных систем. Одновременно ставится задача уменьшить время непроизводительной стоянки судов-снабженцев на рейде портопункта из-за погодных условий, когда эксплуатация амфибийных машин вследствие волнений ограничивается. Причем одной из главных причин этого ограничения является возможность потери остойчивости машин при движении по волнам достаточно большой балльности;
Лесная промышленность, лесосплав. Амфибийные тракторы могут использоваться как на берегу, так и на глубокой воде и на мелководье, и обладают большей универсальностью по сравнению с катерами и лебедками. Малые несудоходные реки и реки с сезонным судоходством, часто используемые для молевого сплава леса, практически не доступны для плавучих очистных агрегатов из-за малых глубин, наличия порогов и пересыхающих участков русла. Для выполнения подобных экологических задач хорошо приспособлены амфибийные технологические и транспортные агрегаты, которые могут работать как на плаву, так и на мелководье и на суше вдоль береговой черты.
Спасательные и эвакуационные работы в зонах катастрофических природных явлений или техногенных аварий, поисково-спасательные работы. Амфибийные машины незаменимы в структуре технических средств Министерства по чрезвычайным ситуациям, подразделений гражданской обороны и различных региональных и ведомственных поисково-спасательных служб. Спасательные, санитарные и другие специализированные машины на амфибийном шасси могут практически при любой погоде и независимо от времени суток доставить в труднодоступное место спасателей, медперсонал и медицинское оборудование, эвакуировать раненых, доставить необходимое оборудование для оказания экстренной помощи и развертывания работ по ликвидации последствий аварии или стихийного бедствия. Для оснащения подразделений поисково-спасательной службы ВВС, занятой поиском и эвакуацией спускаемых космических аппаратов и космонавтов, в СКБ автомобильного завода им. Лихачева был создан специальный авиатранспортабельный комплекс поисково-эвакуационных амфибийных машин.
Обслуживание трубопроводов, НЭП и других протяженных сооружений, транспортное обеспечение газо- и нефтепромыслов. Как правило, значительная доля протяженности газо- и нефтепроводов, линий электропередач, кабельных линий проходят вдали от освоенных мест по труднопроходимой местности, тундре, болотам, через большие и малые водные преграды. Эксплуатация сооружений трубопроводного транспорта и ЛЭП требует проведения периодического инспектирования, а в случае аварии -оперативной доставки ремонтных бригад и целого комплекса техники. Работа удаленных газо- и нефтепромыслов также связана со всесезонными перевозками по болотам и бездорожью сменных вахт, топлива, запасных частей, грузов для обеспечения персонала промыслов и т.д. В качестве шасси транспортных машин и технологических агрегатов, используемых для указанных целей, широко применяются амфибийные машины.
Высокие требования к тактической подвижности сухопутных войск обусловили широкое распространение амфибийных машин в структуре вооружения и технического оснащения армий многих государств. Практически все типы боевых машин с легким бронированием (массой до 20-25 т) включают в> себя, образцы, обладающие водоходными свойствами. Иногда амфибийными выполняются и более тяжелые бронированные машины. При этом уровень водоходных свойств может сильно различаться в зависимости от целевого назначения и функций, возлагаемых на машину, а также конкретных особенностей конструкции машины. Амфибийные машины используются армиями различных стран как для десантных операций, так и для форсирования водных преград на сухопутном театре действий.
Расширение сфер использования амфибий вызывает постоянный рост требований к технике. В современных условиях улучшение водоходных и сухопутных свойств производится совместно. Конкретное сочетание свойств, которыми должна обладать та или иная машина, зависит от ее функционального назначения и условий применения (условий эксплуатации). Однако часто улучшение водоходных качеств вступает в противоречие с сухопутными. К примеру, улучшение вооружения, увеличение брони, установка более тяжелой силовой установки (правда, несколько более мощной) приводит к увеличению веса машины, что неизбежно ухудшает водоходные свойства. Для подавляющего большинства типов амфибийных машин комплекс водоходных свойств подчинен другим, более важным, с точки зрения конечной эффективности объекта, функциональным свойствам, в частности, сухопутным свойствам. Помня, что сухопутные свойства являются доминирующими, а водоходные важными, но второстепенными, необходимо улучшать такие водоходные качества как ходкость, управляемость, остойчивость, непотопляемость, не ухудшая сухопутных.
Комплексное улучшение водоходных свойств машины является сложной инженерной задачей, успешное решение которой немыслимо без проведения серьезных научных исследований и опытно- конструкторских работ, направленных на создание новых образцов бронированных и небронированных машин. Как показывает анализ технических характеристик наиболее распространенных типов амфибийных машин (в отношении их водоходных свойств), за последние 40-50 лет в большей части отсутствует прогресс в скорости на плаву и в других показателях водоходных свойств. Часто современные машины даже уступают по этим показателям более старым однотипным образцам, которые предназначены для выполнения аналогичных функций. Это, однако не означает отсутствие прогресса самих амфибийных машин. Конструкция плавающих машин в части водоходных свойств также совершенствуется, но это развитие проявляется не в форме роста абсолютных показателей комплекса водоходных свойств (которые сохраняются примерно на стабильном уровне) а в форме уменьшения ресурсов (объемов корпуса, массы и т.д.), затрачиваемых на обеспечение необходимого уровня водоходных свойств. Это позволяет большую долю ресурсов использовать для повышения основных (с точки зрения целевого назначения машины) функциональных свойств.
Обеспечение остойчивости амфибийных машин является одним из важнейших условий безопасности их плавания. Оценка остойчивости является существенной частью инженерного расчета любой плавающей машины. При этом появляются два вопроса - остойчива амфибия или нет и как она поведет себя при потере остойчивости. Решение задачи представляет значительные трудности, особенно в тех случаях, когда условия эксплуатации предполагают использование машины на волнении.
Суда имеют большую историю развития, несоизмеримую с историей развития AM. При этом остойчивости судов всегда, особенно в последние столетия, уделялось самое серьезное внимание. Тем не менее, проблема остойчивости остается актуальной. По-прежнему из-за потери остойчивости гибнут суда. По подсчетам американских океанографов Рехнитцера и Терри, начиная с 1902 г., в среднем за год гибнет 398 судов. Гибель судов от потери остойчивости - одна из тяжелейших морских катастроф, часто несущая гибель всему экипажу.
Остойчивость амфибий на волнении исследована недостаточно, но эта задача является одной из важных проблем мореходности амфибийных машин, поскольку значительное ухудшение остойчивости может происходить при интенсивной заливаемости низкобортных надводных частей корпуса в условиях поперечной и продольной качки.
Сложность процесса взаимодействия плавсредства с волнением и ветром, разнообразие физических картин опрокидывания и отсутствие надежных математических описаний динамики AM на волнении подчеркивают актуальность постановки задачи определения остойчивости на волнении. Учение об остойчивости относится к одному из наиболее развивающихся направлений динамики судна на волнении. Накопление новых данных не только обогащает практику проектирования амфибий, но и приводит к совершенствованию самой теории остойчивости, уточнению методов ее оценки в различных условиях эксплуатации.
Остойчивость AM на волнении имеет ряд особенностей и представляет значительный интерес в связи с эксплуатацией машин в прибрежных зонах морей и океанов. Особой темой является остойчивость при входе в условиях волнения в воду и выходе из нее. Включение в анализ ситуаций, при которых амфибийная машина теряет начальную остойчивость, поможет уже на стадии проектирования выявить все опасные режимы плавания, В море же при подобных авариях, когда благополучный исход во многом определяется действиями плавсостава, понимание экипажем особенностей реакции неостойчивой машины на действие ветра или волнения позволят принять правильное решение и сделать все возможное для спасения.
Исследованию остойчивости амфибий на волнении и посвящена данная работа.
Методы исследования
В теоретической части работа базировалась на трудах отечественных и зарубежных ученых по теории остойчивости на спокойной воде и на волнении. Экспериментальные исследования проводились на физической модели условной плавающей машины. Расчетно-теоретические исследования выполнялись для трех плавающих машин с использованием ЭВМ.
Научная новизна
Впервые выполнены теоретические исследования параметров остойчивости амфибийных машин на волнении. Выполненные экспериментальные и расчетные исследования изменений параметров остойчивости позволили впервые выявить качественные и количественные особенности остойчивости плавающих машин на волнении, установить наиболее опасные режимы движения и сформулировать рекомендации по улучшению остойчивости амфибийных машин на волнении.
Практическая ценность
Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований остойчивости натурных машин и физической модели можно использовать при создании новых амфибийных машин и для ориентировочной оценки параметров остойчивости амфибий на волнении и на спокойной воде. Данные исследований помогут выявить приспособленность существующих машин к различным районам плавания и избегать попадания в экстремальные условия эксплуатации.
Реализация результатов работы
Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре тягачей и амфибийных машин МАДИ (ГТУ), а также рассмотрены и приняты к использованию в процессе последующей модернизации амфибийных машин Главным автобронетанковым управлением МО РФ.
Апробация работы
Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры "Тягачей и амфибийных машин" МАДИ (ГТУ) в 2004 г.
Основные положения диссертационной работы докладывались на 59-й и 61-й научно-методических и научно-исследовательских конференциях
МАДИ (ГТУ), в подсекции колесных и гусеничных машин высокой проходимости в рамках научно-технического семинара по колесным и гусеничным машинам высокой проходимости в 2001 и 2003 гг.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.
На защиту выносятся основные положения расчетно-теоретических и экспериментальных исследований параметров остойчивости амфибийных машин на волнении.
Экстремальные условия эксплуатации амфибийных машин, в которых велика вероятность потери остойчивости
Волны подразделяются на ветровые, образующиеся под действием ветра; приливные, возникающие вследствие действия приливообразующих сил Луны и Солнца; корабельные, появляющиеся на водной поверхности при движении кораблей, судов и других плавучих средств.
Наибольшее распространение имеют ветровые волны. Они наблюдаются на реках, озерах, водохранилищах, морях и океанах и возникают вследствие передачи энергии ветра частицам воды путем неравномерного давления и трения воздуха о водную поверхность. Ветровые волны начинаются с мелкой ряби, которая по мере усиления ветра превращается постепенно в волны. При этом частицы воды начинают совершать в вертикальной плоскости орбитальное движение и кажущееся наблюдателю очень медленное поступательное движение в направлении фронта распространения волн.
Элементы ветровых волн и изменения их параметров зависят от многих причин; скорости ветра, продолжительности его действия, расстояния, на котором ветер определенного направления воздействует на водную поверхность, стабильности скорости и направления ветра, глубины воды и др.
Поэтому морские побережья нашей страны и соседних стран СНГ имеют весьма разнообразные географические и синоптические условия, исключающие какие-то единые для всех регионов качественные и количественные характеристики волнений.
На характер волнения достаточно сильное влияние оказывают приливно-отливные течения, особенно в тех случаях, когда они действуют против направления распространения волн. Взаимодействие таких течений с волнами приводит к увеличению крутизны и высоты волн, особенно в проливах и узостях.
Существенную роль в процессе образования волн прибрежной зоны играют мелководные участки, например в Азовском море, в северной части Каспийского моря и в других зонах морей и океанов. Влияние таких мелководных участков проявляется в образовании относительно коротких и крутых волн.
Вполне определенное влияние на условия эксплуатации амфибийных машин оказывает также степень повторяемости волнений различной балльности и параметры этих волнений.
В отличие от судов амфибийные машины могут эксплуатироваться в двух зонах прибрежной части моря или озера - вдали от берега и в непосредственной близости от берега в так называемой прибойной зоне и выше уреза воды в полосе заплеска волн. Для обеспечения грамотной эксплуатации амфибийных машин необходимо знать особенности волн как вдали от берега на глубокой воде, так и вблизи от берега в условиях мелководья. Для классификации волн, поскольку их характеристики во многом определяются соотношением глубины воды и длины волны (рис. 2.6), используют следующие градации: - волны мелкой воды при hwjXe ОД . где hw - глубина воды, а Хе -длина волны; - волны мелководья при ОД hwjXg 0,3... 0,5; - волны глубокой воды при hw /Лв 0,3... 0,5.
Нерегулярным волнением будем считать волнение, в котором характеристики большинства волн отличаются друг от друга. Если принять характеристики всех волн абсолютно одинаковыми, то такое волнение будет регулярным. В природе регулярные волнения практически не наблюдаются и представляют собой одну из возможных математических моделей регулярного морского или озерного волнения, которая использована в данной работе. Наиболее близка по своим характеристикам к регулярному волнению мертвая зыбь, представляющая собой свободные колебания водной поверхности при полном безветрии.
Особенности работы амфибий на волнении с точки зрения остойчивости
Воздействие волн на амфибийные машины приводит к появлению различных колебательных движений, которые в совокупности определяют качку машин.
При работе амфибийных машин на волнении сравнительно высокой балльности следует учитывать, что интенсивные качки всех видов, особенно поперечная и продольная, - явления нежелательные, так как оказывают отрицательное влияние на все мореходные качества амфибийных машин.
Качка амфибий, имеющих малый надводный силуэт, всегда сопровождается забрызгиванием и заливаемостью. Оба эти явления являются характерными и, к сожалению, неизбежными особенностями эксплуатации амфибийных машин на волнении. Причем чем больше балльность волнения, тем сильнее проявляются эти явления [42].
Под забрызгиванием понимается попадание брызговых и струйных потоков воды на надводные поверхности корпусов амфибий, смотровые приборы, стекла кабин и рубок, заборные устройства систем охлаждения и питания воздухом двигателей и др. Забрызгивание существенно ухудшает наблюдение из амфибии, управление ею, в некоторых случаях приводит к перебоям в работе двигателя, что в совокупности затрудняет эксплуатацию амфибий на волнении.
Под заливаемостью амфибий понимается поступление сплошных больших масс воды на верхнюю часть корпуса как при плавании на волнении, так и в процессе входа амфибий с берега в воду прибойной зоны. Явление заливаемости значительно затрудняет эксплуатацию амфибий на волнении, поскольку в большинстве случаев сопровождается "зарываемостью" в волну на встречных курсовых углах и наката на носовую часть корпуса потоков больших масс воды. Это в некоторых случаях приводит к значительному увеличению дифферента амфибий на нос и последующему "заныриванию", т.е. к уходу амфибии под воду за счет появления топящей системы гидродинамических сил.
При сильной качке в определенных условиях машины могут опрокинуться и утонуть из-за потери остойчивости или попадания больших масс забортной воды внутрь корпуса через надводный борт или повреждения корпуса.
В холодное время года попадающая при качке на машины вода замерзает и образующийся слой льда может приводить при длительном нахождении машины в воде к существенному ухудшению параметров остойчивости, если этот слой льда периодически не удалять с надводной части корпуса.
Важно также отметить, что при работе машин на волнении значительно затрудняются швартовка машин одна к другой, к судам, причалам, вход в воду к выход из нее на берег. При этом надо учитывать, что вход машин в воду прибойной зоны, и выход из нее на берег при сильном волнении на море или озере значительно сложнее и опаснее (заливание, чем на спокойной воде. От машины требуется достаточная герметичность надводной части корпуса, исключающая заливание сверху, хорошая управляемость, требуемая устойчивость прямолинейного движения, а также достаточная остойчивость, исключающая опрокидывание на разрушающемся волнении. Это также следует учитывать при проектировании мореходных амфибийных машин.
Для оценки вероятности попадания амфибий в режимы и зоны интенсивной качки можно использовать диаграммы качки В.Г. Власова и Ю.В. Ремеза [42]. Диаграмма качки В.Г. Власова представляет собой (рис. 2.7) семейство концентрических полуокружностей, радиусы которых в определенном масштабе равны скорости Va движения амфибии по воде. Из центра диаграммы проведены лучи, которые отражают возможные курсовые углы (р. Ниже диаграммы приведена поясняющая схема, на которой прямыми вертикальными отрезками показаны гребни волн, направление их бега со скоростью Св. длина волны Хв, условное обозначение амфибии, вектор ее скорости Va и курсовой угол р.
По формулам (2.19)...(2.21), задаваясь длиной волн и периодами собственных свободных колебаний амфибии, можно рассчитать границы дорезонансных, резонансных и послерезонансных режимов качки, которые на диаграмме отображаются вертикальными линиями. При расчетах поперечной качки эти линии доводятся до лучей курсовых углов 15 и 165, так как в пределах курсовых углов 0 -15 и 165 - 180 поперечная качка незначительна. Если амфибия движется в пределах курсовых углов 75 -90 и 90 -105, то при оценках продольной качки эти сектора также могут исключаться из зоны интенсивной качки, поскольку в пределах этих курсовых углов продольная качка практически не наблюдается или очень незначительна. Можно не исключать эти сектора из площади зоны, в которой амфибии испытывают интенсивную качку, но при этом расчетная вероятность попадания амфибий в эту зону несколько увеличивается. В результате расчетов на диаграмме качки вьщеляется штриховкой зона интенсивной качки (на рис.2.7 показана в виде примера зона интенсивной поперечной качки). Пунктирная вертикальная линия соответствует резонансу.
Из зависимости следует, что для каждой длины волны существует определенное значение периода собственных колебаний амфибии, при котором вероятность попадания в зону интенсивной качки максимальна. Огибающая кривая, проведенная через максимумы вероятностей на волнах длиной от 5 до 35 м, устанавливает связь между периодами собственных колебаний амфибий в поперечной и продольной плоскостях и максимальными вероятностями попадания амфибий в зоны интенсивной качки.
Из рисунка следует также, что вероятность попадания амфибий в зоны интенсивной качки тем больше, чем больше период собственных колебаний амфибии и длина волны. Вместе с тем для каждой длины волны увеличение периода собственных колебаний амфибии приводит вначале к достаточно быстрому росту вероятности Р(ИК) до точки ее максимума, а затем к более медленному уменьшении вероятности. Поэтому уменьшение вероятности попадания в зоны интенсивной качки можно достичь либо увеличивая каким-либо способом период собственных колебаний амфибий, либо уменьшая его с учетом балльности волнения, на котором предполагается эксплуатация амфибии. При этом следует иметь в виду, что увеличение периода для уменьшения вероятности Р(ИК) приводит к улучшению параметров качки. Она становится более плавной и с меньшими ускорениями. И наоборот, если уменьшать периоды собственных колебаний амфибий, то параметры качки ухудшаются. Она становится более резкой, порывистой и с большими ускорениями.
Программа исследований
Программа исследований включала получение экспериментальной зависимости плеча остойчивости (восстанавливающего момента) от угла наклонения в поперечной плоскости (см. табл. 3.1). Эти зависимости были получены для спокойной воды и для сымитированных продольных волн различной высоты и длины (изменялась балльность и крутизна). Зависимости получены для различных положений волнового профиля относительно корпуса машины. Наибольшее внимание уделялось характерным (экстремальным) положениям волнового профиля - вершина волны в миделе и впадина волны в миделе. Параметры волн выбраны для диапазона балльности натурных волнений в I...3 балла.
В качестве объекта исследований выбрана физическая модель (рис. 3.1) условной плавающей гусеничной машины массой Ют в масштабе 1:10. В отличие от настоящей, она выполнена с разрезными секциями и без ходовой части для удобства проведения экспериментальных исследований и имитации волнового профиля. При расчетах корпус модели рассматривался как единое целое (с учетом масштаба его длина составляет 6,8 м, см. рис. 3.1), а влияние вырезов - ничтожно малым.
Положение центра тяжести модели по высоте (а, соответственно, и ее массу) можно изменять, снимая или устанавливая балластировочные грузы, расположенные в нижней части модели. При необходимости можно увеличить диапазон изменений массы модели, установив дополнительно штанги для размещения грузов на продольные брусья в верхней части модели. При моделировании остойчивости и качки необходимо выполнение геометрического, кинематического и динамического подобия модели и натуры [8], [28]. Критерии выполняются при тщательном вычерчивании теоретического чертежа и изготовлении модели, а также в результате статической и динамической тарировки модели и за счет правильной генерации нерегулярного волнения.
Неравенства (3.1) и (3.2), как в данной работе, соблюдаются автоматически, если размеры модели не слишком малы (масштаб моделирования не меньше 1/50, справочник [8]).
Поскольку эксперимент ведется в жидкости, вязкость которой та же, что и у натуры, одновременное выполнение критериев Рейнольдса и Фруда невозможно. Поэтому в опытах соблюдают частичное подобие, принятое в экспериментальной гидромеханике. Оно обеспечивается тем, что выбирается критерий, имеющий значение для рассматриваемого явления.
Испытания проводились на экспериментальной установке (рис. 3.2), которая включает в себя секционную ванну (5), разрезную модель (6) и кренователь. Ванна (рис. 33) выполнена из прозрачного материала и имеет десять водонепроницаемых секций. Секции не сообщаются друг с другом, что позволяет создавать различный условный ступенчатый волновой профиль, неподвижный относительно модели.
Модель условной плавающей гусеничной машины состоит из десяти секций (3), соединенных продольными брусьями (2). Секции выполнены из пенопласта, а четыре из них снабжены балластными грузами (4). Модель имеет кронштейн (1) для присоединения к кренователю. Сечения модели плоскостями, параллельными диаметральной (батоксы) одинаковы и симметричны (нос и корма модели имеют одинаковые обводы). У натурных машин носовые и кормовые обводы различны, но для модели дополнительный дифферент, вызванный этим различием, значительно ограничит возможности эксперимента.
Кренователь представляет собой пространственный параллелограмм (2), установленный на оси неподвижного основания (12). Штанга (1), жестко соединенная с моделью, неподвижно закрепляется на вертикальной стороне параллелограмма. Вылет штанги выбирается таким образом, чтобы при нулевом угле крена. модели две стороны параллелограмма занимали горизонтальное положение. На противоположной штанге стороне закреплен угловой сектор (8) со шкалой, при помощи которого можно задавать крен модели.
Перед началом опытов кренователь балансируется посредством основных и дополнительных грузов (9). Балансируется и коромысло, посредством укладки грузов на одну из чаш (4). Установка достаточно проста, и работа с ней не представляет сложностей.
Эта установка позволяет создавать крен модели до 30 - 35, что вполне достаточно для проведения большинства опытов. Дальнейшее сколько-нибудь значительное увеличение угла крена на смоделированном волнении потребует использования другой конструкции модели. Это ограничение вызвано тем, что при моделировании волнения осадка модели увеличивается (по сравнению со спокойной водой), и продольные брусья (2, рис.3.3), необходимые для соединения секций модели и придания конструкции жесткости, при креновании касаются перегородок секций.
Результаты расчетов остойчивости серийных амфибийных машин на волнении
Плавающий транспортер ПТС-2 подбирались таким образом, чтобы они соответствовали одно-, двух-, трех- и четырехбалльному натурным волнениям и оказывались в середине диапазона длин, рассчитанных по зависимостям (3.4) и (3.5) при изменении коэффициента /? в указанных выше пределах. Напомним, что в отечественной практике в качестве характерной принята высота волн 3%-ной обеспеченности /г3о/о Но, как мы заметили выше, для проявления эффекта снижения остойчивости на попутном волнении (а тем более опрокидывания), необходимо одновременное наступление нескольких условий. Учитывая то, что БМП-3 имеет самый низкий надводный силуэт из всех рассматриваемых машин, а также результаты пробных расчетов, для исследования изменения остойчивости БМП-3 на волнении использовалась высота значительных волн. Соотношение между параметрами волн выбрано из теории волн относительно малой амплитуды [8] и условий эксплуатации амфибийных машин.
Как уже отмечалось, поведение амфибийных машин на воде несколько отличается от поведения на воде судов. Метод проф. Благовещенского С.Н. разработан для расчета Рис. 3.15 Боевая машина пехоты БМП-3 остойчивости судов на волнении при движении попутно или навстречу волнению. По данному методу можно также производить расчеты для судов, движущихся под косыми углами к волнению согласно работе [5]. Для расчета остойчивости амфибийных машин на волнении данный метод до сих пор не применялся и рекомендаций по ограничениям или особенностям применения метода к расчету остойчивости амфибий опубликовано не было.
На рис. 3.16, 3.18 и 3.20 приведены рассчитанные диаграммы остойчивости трех амфибий - МТ-ЛБ, ПТС-2 и БМП-3 при нахождении миделя машины на вершине волны, на рис 3.17, 3.19 и 3.21 - при нахождении миделя машины во впадине волны. Для сравнения на этих же графиках приведены диаграммы остойчивости на спокойной воде. Как следует из графиков, остойчивость, как правило, понижается. Величина снижения плеч остойчивости колеблется для различных машин, в зависимости от параметров волн около 20...40% (для различных углов крена).
Произведенные расчеты диаграмм статической остойчивости гусеничной машины МТ-ЛБ (см, рис. 3.16) показывают, что максимальные значения плеч остойчивости практически при всех выбранных параметрах волн лежат в диапазоне углов крена от 32 до 52. Значения плеча остойчивости в поперечной плоскости при этом находятся в пределах ОД 7...0,32м. Максимальной величиной плеча остойчивости практически всегда является его значение на спокойной воде.
Диаграммы остойчивости на волнении при нахождении впадины в миделе модели (рис. 3.17) отличаются смещением максимумов влево для: некоторых волн (/г?=0,75м), в зону углов крена 17...25. Абсциссы максимумов диаграмм имеют больший разброс: от 0,167м (Лв=0,75м, А.=7,5м ) до 0,314 (/г =0,75м, Х=15,0м).
Данная машина при плавании на спокойной воде имеет минимальный опрокидывающий момент 16,2 кНм, который при плавании на волнении изменяется в пределах от 9,7 кНм (йв=0,75м, Х,=7,5м, вершина в миделе) до 16,9 кНм (йв=0,75м, А,=15,0м, впадина в миделе), т.е. уменьшение минимального опрокидывающего момента составляет 41,3%.
Выполненные расчеты диаграмм статической остойчивости гусеничного транспортера ПТС-2 (см. рис. 3,18) показывают, что максимальные значения плеч остойчивости практически при всех выбранных параметрах волн лежат в диапазоне углов крена от 55 до 65. При этом величина плеча остойчивости в поперечной плоскости практически лежит в пределах 0,51...0,84м. Следует отметить, что максимальное значение плеча остойчивости при некоторых параметрах волн превышает значение этого плеча на спокойной воде.
Второй особенностью этих диаграмм является появление при угле крена в 30 наиболее резко выраженной впадины на кривой остойчивости для спокойной воды. Менее выраженные такие же впадины отмечаются на диаграммах остойчивости с различными параметрами волн при углах крена либо несколько больше 30, либо несколько менее.
Из полученных расчетным путем диаграмм статической остойчивости машины БМП-3 (см. рис. 3.20) следует, что максимальные значения плеч остойчивости практически при всех выбранных параметрах волн лежат в диапазоне углов крена от 52 до 58. При этом величина плеча остойчивости в поперечной плоскости практически лежит в эта величина будет зависеть от установки морского оборудования, а также параметров и положения волнового профиля, пределах 0,56...0,69м. Невысокий надводный силуэт машины способствует тому, что при определенных параметрах волн машина быстро оказывается в массе волны. Расчет остойчивости в этом случае по способам, применяемым для надводных кораблей, становится невозможен уже при угле крена в 35...40. При нахождении на вершинах таких волн появляется заметный горб при угле 25...35. Вполне вероятно, что этот максимум является результатом выхода из воды надгусеничной полки одного из бортов. Менее заметный, такой экстремум виден и на диаграммах при других параметрах волн. Для диаграммы, соответствующей спокойной воде, такой горб появляется при 15 крена. Уменьшение плеча остойчивости в этих впадинах достигает в среднем 0,01 м. На диаграммах остойчивости через 15...20 от первого малого горба появляется более-менее заметный второй малый горб. Вероятно, его можно объяснить входом в воду листов, образующих палубу. Заметим, что максимальное значение плеча остойчивости при некоторых параметрах волн превышает значение этого плеча на спокойной воде.
Из этих графиков следует также, что при некоторых параметрах волн, а именно йв=0,75м, А,=7,5м; йв=0,56м, А,=8,4м; /гв=0,56м, Х=11,2м и /зв=0,75м, А,=15,0м (см. рис. 3.20), диаграмма остойчивости имеет отрицательный участок плеч, который располагается от 0 до 6...15 крена. Это говорит о том, что машина БМП-3 при этих условиях имеет не совсем надежную остойчивость, и поэтому при плавании на волнении вероятен крен в пределах ±6...15. Также будет иметь место переваливание машины с одного борта на другой.
