Теоретические основы морской буксировки

Теория буксировки судов в море была разработана в 1924 г. акад. А. Н. Крыловым. При плавании на тихой воде горизонтальная составляющая натяжения буксирного троса равняется тому сопротивлению, которое оказывает буксируемое судно при данной скорости. Сопротивление буксируемого судна и собственное сопротивление преодолеваются упором гребного винта буксировщика.

При неравномерной работе машин буксирующего судна, рыскании буксирующего и буксируемого судов, страгивании с места в начале буксировки, резком повороте буксирующего судна, внезапно налетевшем шквале и в некоторых других случаях, когда наблюдаются рывки и появляются динамические нагрузки, в буксирном тросе могут возникнуть усилия большие, чем максимальный упор гребного винта буксировщика. Однако умелое управление буксирующим и буксируемым судами может исключить или свести до минимума действие рывка.

Перечисленные выше причины возникновения в буксирном тросе значительных усилий, превышающих максимальный упор винта, встречаются как при работе на тихой воде, так и при буксировке в штормовых условиях. Но при плавании на взволнованном море или на мертвой зыби в буксирном тросе могут возникнуть усилия, которые во много раз превысят нормальные значения тяги. Это объясняется тем, что при плавании против волны, по волне или под углом к волне буксирующее и буксируемые суда, участвуя в орбитальном движении частиц воды, то сближаются, то удаляются друг от друга, вследствие чего натяжение буксирного троса все время изменяется. При таком орбитальном движении центр тяжести каждого из судов, если бы оно было свободным, описал бы около своего среднего положения некоторую орбиту.

Уравнение такой орбиты в параметрической форме:

x = a cos (2πt/τ) (12.1)

y = b sin (2πt/τ) (12.2)

где τ — период волны, с;

а и b — некоторые постоянные для данного судна и данной волны.

Академик А. Н. Крылов показал, что величины а и b не превышают половины высоты волны. Следовательно, если взять значение а равным половине высоты волны, то будет учтен наихудший случай.

В приведенном выше уравнении нас интересует только величина Х, которая представляет собой изменение расстояния между судами на качке. Влияние вертикальных колебаний судов на усилия в буксирном канате при принимаемых в морских буксировках длинах буксирных линий практически ничтожно.

Определим усилия, возникающие при горизонтальных перемещениях буксирующего и буксируемого судов вследствие их орбитального движения при плавании на волнении. Сила равна произведению массы на ускорение; определим характер ускоренного движения судна на волнении:

(12.3)

(12.4)

Наибольшее ускорение будет в том случае, если

;

Определим усилие, которое возникает в этом случае;

(12.5)

где т — масса судна, т.

Следовательно, для того чтобы воспрепятствовать судну массой т совершить орбитальное движение, к нему необходимо приложить силу, равную X. Наибольшее значение эта сила приобретает при х"=ω:

X_max= m co. (12.6)

Допустим, что высота волны h_B = 8 м, а период ее т = 10 с. Тогда

максимальное ускорение . Максимальное усилие в буксирном тросе X_max=m*ω = I ,6т.

Значит, максимальное усилие, возникающее в буксирном канате при заданных значениях, численно равно массе судна, умноженной на 1,6. Отсюда следует, что если буксирующее и буксируемое суда имеют большие размеры, то сила X действия волны настолько велика, что орбитальное движение не может быть остановлено.

Например, усилия в буксирном тросе во время буксировки судов массой 6000 т при заданных выше значениях высоты волны и ее периода достигали бы 9600 кН. Для такого усилия невозможно подобрать трос и создать для него крепление.

Таким образом, при морской буксировке необходимо устраивать буксирную линию так, чтобы расстояние между судами могло изменяться на значение, равное высоте волны: 2а = h_В. При этом в буксирных канатах не должно возникать напряжений, превышающих их прочность.