автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Оценка влияния параметров движения речных ледоколов при работе набегами для решения проектных и эксплуатационных задач

. УС о..

Н ИЖнЬэГОД С «^ГОСУДАРСТВЕН Н ЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 629.124.79!

На правах рукописи

КАЛИНИНА НАДЕЖДА ВИКТОРОВНА

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ РЕЧНЫХ ЛЕДОКОЛОВ ПРИ РАБОТЕ НАБЕГАЛИ! ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОЕКТНЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАДАЧ

Специальности: 05.08.01 - теория корабля ч 05.03.03 - проектирование я конструкция судов

А. вторс ферит

диссертации на соискание учспой степени мадиата технических иэух

Ниишн Новгород - ¡947

Работа выполнена на кафедре технического университета.

"Судостроение" Нижегородского государственного

Научный руководитель Научный консультант

-доктор технических наук, профессор В.А.Зуев

- кавдидаг технических наук, доцент Е.М.Грамузов

Официальные оппоненты

-доктор технических наук, профессор В.С.Ш.иксв

- каидлдаг ю.хиических наук. доцент М.Е.Рабинович

Ведущая организация

- АО КБ "Вымпел"

Защита состоится и _1997 г. в_££

часоЬ на засе-

дании специализированного Совета Д 063.85.01 при Нижегородском государственном техническом умимрситете по адресу : 603600, г. Нижлий Новгород, ГСП-41, ул. Минина. 24, зуд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. .

Автореферат разослан'

22

.1997 г.

Отзывы иа автореферат в двух экземпляра* с подписями, заверенными печатью, просим направлять на имя ученого секретаря специализированного Совета.

Ученый секретарь специализированного Совета

д.т.н., профессор _■—^¿^^^у/-. А.Н.Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАВОТЫ

Актуальность темы. Основным средством'продления навигации является ледокольный флот, для проектирования которого необходимы надежные методы расчета ледовой ходкости, учитывающие форму корпуса и ледовые условия.

В настоящей работе рассматриваются вопросы движения ледокола в ледовом поле, толщина которого превышает предельное значение для непрерывного хода. Движение в этом случае осуществляется с разбега, а работа ледокола по разрушению льда -повторяющимися циклами: отход назад - разбег - продвижение в сплошном льду. Для речных ледоколов доля такой работы велика.

Динамика ледокола при работе набегами изучена в настоящее время недостаточно подробно. Отсутствуют математические модели, позволяющие оценить влияние формы корпуса и других характеристик ледокола на его работу набегами. Это связано в первую очередь со сложностью динамических процессов при нестационарных движениях. Теоретические и экспериментальные исследования ходкости ледоколов при работе набегами носили разрозненный характер и были посвящены, как правило, рассмотрению отдельных проблем динамики или составлению упрощенных аналитических моделей.

В связи с этим, исследование вопросов ходкости ледоколов набегами является актуальным.

Тема диссертации непосредственно связана с госбюджетной программой " Исследование и разработка энергосберегающих средств и технологий разрушения льда и продлс- ■ ния навигации на внутренних водных путях". Настоящая работа является составной частью научно-исследовательской работы кафедры "Судостроение", кораблестроительного факультета и университета. '

Цель работы. Получение надежного метода расчета ходкости ледоколов в тяжелых льдах. Оценка влияния формы корпуса н соотношений главных размереиий речных ледоколов, рассчитанных на работу набегами. Разработка оптимальной тактики маневрирования при работе набегами.

Задачи и методы исследований. Для реализации целей работы теоретически изучались особенности работы набегами, составляющие ледового сопротивления на различных этапах движения. Теоретический анализ движения ледокола набегами на отдельных этапах проводится на основе аналитического решения дифференциальных уравнений поступательного движения. При построении практических расчетных зависимостей использовалась статистическая обработка натурных данных.

Научная н о в и з н а. Разработана теоретическая модель сопротивления битого льда, учитывающая в явном виде толщину н механические характеристики ледяного покрова, коэффициент трения наружной обшивки корпуса о лсд. главные размгрюшя и форму корпуса ледокола, скорость движения. Получены аналитические решения дифференциальных уравнений движения ледокола на разных этапах работы избегали. Предложен метод определения эмпирических коэффициентов георетмхо-экспериментальной модели. Разработана математическая модель определения средней скорости и параметров движения ледокола набегами.

■ Практическое значение. Предложены практические методы определения сопротивления битого в сплошного льда, средней скорости и параметров движения ледокола набегами, основанные на расчете по теоретико-экспериментальным моделям. Произведена оценка влияния формы корпуса ледокола и соотношений главных размеренна на эффективность работы набегам». Разработана оптимальная тактика движения ледоколов набегами, позволяющая повысить эффективность их работы в тяжелых ледовых условиях. Результаты работы использованы в научно-исследовательских работах, выполненных в НГТУ. Результаты исследований внедрены в учебный процесс НГТУ, в АО КБ "Вымпел'. Методика по выбору оптимальной тактики работы ледокола внедрена в АО "Волга-флот"'.

Основные положения, выноси мыена защиту:

• математические модели сопротивления сплошного и битого льда движению ледокола;

• дифференциальные уравнения движения ледокола и их решения на различных этап х движения набегами;

• i серегико-зхсп ери ментальные способы расчета ледового сопротивления и параметров движения ледокола набегами;

• математическая модель определения средней скорости и параметров движения ледокола набегами;

• опенка влияния формы корпуса ледокола н соотношений главных размереннй на эффективность работы набегами;

• методика по выбору оптимальной тактики движения набегами.

Апробация работы. По результатам работы сделаны доклады: на Всесоюзной конференции "Современные проблемы теории корабля" (XXXVII Крыловские чташя), октябрь 1995, Санкт-Петербург, на международной конференции "13th Internationa] СопГегеисеол Роп and Océan Engineering under Arctic Condition" (POAC'95), август 1995, Мурманск, на международной конференции "International Conference on Development and Commercial Utilisation of Technologies m Polar Régions", сентябрь 1996, Санкт-Петербург. - - ' ,

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 9 публикациях (см. перечень в конце автореферата). .

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 320 страниц машинописного текста, включающего 3 с. содержания, 14 с. списка литературы (209 наименований), 39 с. с рисункам», таблицами и 133 с. приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введен и и дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность темы, дана оценка состояния проблемы, определены целя и задачи исследований, указана научная новизна и практическое значение диссертации, дана информация об обсуждений ршуяьтатов работы.

В яерво й главе диссертации дан обзор литературы по теме исследования.

Рассмотрению общих и частных вопросов ходкости и проектирования ледоколов посвящены работы В.В.Давыдова, Л.М.Ногидз, И.В.Виноградова, А.В.Бронникова, МК.Таршкса, М.СЯковлева, М.А.Игнатьева, В.И.Каштеляиа, И.И.Позияка, Ю.Н. Попова, Д.Е.Хейсина, А~Я.Рывлияа, Б.Н.Сяистунова, В.А.Зуева, М.Е.Рабиновича, Е.М.. Грамузова, Ю.А.Двойчекко, В.Б.Белякова, О.Б.Соддатгина, В.С.Шпакова, Ю.Н. Алексеева, В.АЛихоманова, В.А.Тронина, ЮА.Сандакова, Д.Д.Максугова, Б.П.Понова. И.П.Мнрошниченко, Л.Г.Цоя, A.B.Иерусалимского, З.Б.Сегала, В-А-Беляшова и др. отечественных ученых. Из зарубежных авторов наиболее .крупный вклад внесли V.R.Milano, E.Enkvist, R'.Y. Edwards, S.Gonäm, B.MJohanson, A-Keinonen, G.H.Levise, K-Riska, P.A!arsta, Jjichwarz, G.P.Vance. E-H.TVaas,ILMakiiien и др.

- Следует отметить исследования советских ученых: AJLMacjiosa, Н.Ф.Ершова, Б.П.Вейнберга, Б.А.Савельева, В.ВЛаврова, И.Г.Петрова, В.В.Богородского, B.TI. Таврило, Ю.П.Доронина, Д.Е.Хейснна и иностранных D.Nevel, B.Michel, чьи исследования в смежных областях значительно повлияли на решение поставленных вопросов.

Развитие форм корпуса речных ледоколов в разных странах происходило различными путями. Традиции, практический опыт, преемственность играли в этом процессе большую роль, чем научные исследования. Несмотря на прогресс в этом развитии, следует отметить, что проектирование формы носат качественный характер. Отсутствие количественных критериев качества формы корпуса приводит к огромному количеству дорогостоящих экспериментальных исследований и поиску новых форм корпуса путем проб и ошибок.

Рассмотрению вопросов, касающихся движения ледоколов набегами, посвящены работы Р.И.Рунеберга, И.В.Виноградова, Н.А.Забогкииа, Б.Мишеля, М.С.Яковлева, Ю.Н.Попова,В.И.Кашгеляна, Б.Н.Свнстунова. А.Н.Ильчука, Б.П.Понова. Из зарубежных авторов, чьи работа касались исследований движения ледоколов набегами, следует отмстить D.BIancliet'a, H.R.Kivisild'a, J.Grinstead'a, L.Ä.Schultz'a, R.W. MidJIeton'a, R.Y.T.Dai'a, K.Riska'a, R.Joloncn'a. Теоретические и экспериметнальные исследования ходкости ледоколов при работе набегами носят разрозненный характер и посвящены отдельным проблемам динамики. Приведенные работы не дзют ответов на ряд вопросов . По результатам нельзя определить параметры движения ( скорость, ускорение, перемещение ) ледокола в текущий момент времени. Средняя скорость движения ледокола набегами может быть повышена при правильно выбранной тактики судовождения и рациональном проектировании ледоколов, рассчитанных преимущественно на такую работу.

Анализ наиболее полных методов расчета лсдеиото сопротивления при дрнжешт в собственном канале битого льда показывает, что час«, способов являются чисто эмпирическими. Эта методы относятся к коикрешому типу судна и определенным ледовым условиям, в которых производились'испытания, н поэтому иг являются универсальными. Недостаточно полно учитывается форма корпуса ледокола. Не учктыкзетхч движение ледокола в собственном канале битого льда задним .ходом.

Анализ наиболее полных методов расчета ледового сопротивления прн движении ледокола в неразрушенном ледяном нокроке показывает, что большинство из них разра-

ботаны применительно к морским ледоколам. Причем наилучшая сходимость результатов получается для ледоколов с размеренными и формой близким к тем, для которых разрабатывался метод и получены эмпирические коэффициенты. Большинство методов недоста- v точно полно учитывают форму корпуса ледокола, особенно в подводной части, и в следствии этого эти методы оказываются малопригодными для расчета сопротивления речных ледоколов, например пр. 1191. Не учитывается наличие на ледяном покрове снега, который, как показывают натурные данные, значительно влияет на сопротивление. Как правило, недостаточно полно учитываются механические характеристики ледяного покрова.

При работе ледоколов набегами в тяжелых ледовых условиях имеет месго заклинивание. Разработки по данной проблеме принадлежат М.А.Игнатьеву, Е.И.Петрову, Д.Е.Хейсину, В.Н.Каштеляну, Ю.Н. Попову, С.Б.Кошкину. Поиски средств быстрого освобождения от заклинивания привели к созданию ряда специальных устройств. К их числу относятся гидроомывающне, пневмоомываюшне устройства, раскачивающие установки.

Анализ литературных источников показал, что не существует надежных методов расчета ходкости при работе ледоколов набегами во льдах, толщина которых превышает предельную.

На основе анализа литературных легочников формулируются цель и задачи исследований и намечается последовательность их решения.

Во второй главе рассмотрено' ледовое сопротивление на основных этапах движения ледокола набегами: движение в собственном канале битого льда при отходе назад и разбеге, а также продвижение в неразрушенном ледяном покрове.

При движении ледокола в собственном канале битого льда чистое ледовое сопротивление складывается из: импульсного сопротивления ¡¡¡, обусловленного потерей кинетической энергии судна при ударах о льдины; диссипативных era сопротивления Иг, связанных, с рассеиванием энергии движущегося судна, которые можно представить в виде суммы двух слагаемых: диссипативной составляющей, возникающей вследствие сопротивления воды раздвиганию льдин и диссипативной составляющей, обусловленной трением льдин друг от друга: сопротивления Яз, обусловленного прнтапливанием и поворачиванием льдин. .

Для определения составляющих сопротивления введены системы координат подвижная Gxyz, связанная с судном, и неподвижная O'x'y'z'. В начальный момент контакта с кромкой льда начала координат обеих систем совпадают и расположены в центре тяжести судна. Оси С; и О';'направлены вертикально вниз.

На элемент обшивки, контактирующий с обломками льда, действуют нормальное усилие d/V и касательное dF, обусловленное трением льда.

Нормальное давление на обшивку от инерционных сил, от сил, обусловленных при-таплиЕанием и поворачиванием, гидродинамическим сопротивлением льдин распределено по линии действующей ватерлинии. При определении импульсного сопротивления значительные ускорения обломки льда получают при первоначальном контакте корпуса со

ь

льдом. Для определения величины сопротивления прнтапливания и поворачивания льдин при движении судна п битом льду сделаны следующие допущения: сплоченность льда полагалась равной 9...10 баллов, причем считалось, что льдины сплошь облегают борт судна до наиболее широкой части судна; притапливанию и поворачиванию подвержен один ряд льдин, прилегающих к борту, что подтверждается данными натурных и модельных испытаний; ice льдины, прилегающие к борту, притапливаются полностью (до уровня воды) и поворачиваются на ребро.

Проецирование нормальных и сопутствующих сил трения на направление движения и интегрирование по ширине В носовой сетви KBJT или по длине облегания корпуса битым льдом 1вл позволяют получить сопротивление К ,,jn при движении судна п собственном канале битого льда на заднем или переднем ходу:

(Ф. +/»„) + с,Р* й-f(<&',+/!>',)

(I)

ф.

ф.

В о В1„

= ~ /«ж-У^^Г^Хи,; Ф'„=-| /я.п.ёХтг,; Ф',т = | ¿¿в.:

'■т 1т . ¿т

где Си - безразмерный коэффициент, учитывающий присоединенные массы воды в составе импульсного сопротивления льдин; р*, р - плотность льда и воды; к - толщина

льда, В -ширина ледокола, х = dxl&t - скорость судна; х - перемещение;/-время; /-коэффициент трения льда об обшивку ледокола; сг - коэффициент гидродинамического сопротивления при раздвигании льдин; g • ускорение свободного падения; Ь - средняя протяженность обломков льда, зависящая от его толщины, как показывают наблюдения, она определяется изгибом пластин на упругом основании к приближенно может быть

принята из соотношения Ь а = 0.312; а = i¡(pg)I d -параметр изгиба пластины на упругом Екг

основании; d= -

цилиндрическая жесткость ледяной пластины; Е, ц • модуль

12(1-ц2)

упругости и коэффициент Пуассона льда; А„, к,а - эмпирические коэффициенты, компенсирующие неточности теоретической модели сопротивления, которые определены в 4 глз-пе с учетом натурных данных по работе речных ледоколов набегами; пх , я, - косинусы углов между нормалью к обшивке в месте контакта с продольной и вертикальной осями соответственно, которые однозначно связаны с углами наклона багоксов <¡>1, ватерлиний Ф: и шпангоутов цп. Функции Ф„ ... Ф'пт, характеризующие форму корпуса различны для переднего и заднего хода.

Выражение (1) более компактно в дальнейшем представлено в виде:

?

Важным при работе ледоколов набегами является этап продвижения в сплошной ледяном покрове. На этом этапе чистое ледовое сопротивление представлено в виде:

л = яр+/г0,+яос,+лс =

<1а.2

/И

' 11а

(3)

Л-с, = 1.5-10° кПа-'; ¿с5 = 0.5-10"' хПа'; Ас = ОЗт/м\-

, 1 1 1

9 \

■1; Ф,

1гд о, а„ О, о,

Др - статическая составляющая сопротивления разрушению; Лхгг, Я», -статическая и зависящая от скорости составляющие сопротивления обломков льда; ¡и - сопротивление снега; - площадь подводной части корпуса, облегаемая льдом; л«ф, /щ - направляющие косинусы на форштевне; кр, кт • эмпирические коэффициенты, компенсирующие неточности теоретической модели сопротивления, которые определены в 4 главе с учетом натурных данных по ледопроходимостн речных ледоколов набегами.

Выражение (3) в более удобной для исследований форме имеет вид: ■■'■'• .2 .

Л«*,* '

л1 И**—ю.6 ц+кьлв**"^'?*'* к р + 1В2<р„ ^ к

№

.В выражения (2), (4) для расчета ледового сопротивления входят безразмерные интегральные функции Фи Ф|, Фк. Функции Фь Ф^ Фк, характеризующие форму корпуса ледокола с точки зрения ледовой ходкости, получены из пространственного рассмотрения взаимодействия корпуса со льдом и проецирования распределенных нагрузок ото льда на направление двимсешш судна. В общем виде они могут быть представлены в виде:

о "U,

Направляющие косинусы внешней нормали л», пг являются функциями координат судовой поверхности и выражаются через тангенсы углов наклона батоксов,. ватерлинии и шпангоутов к главный плоскостям проекции. Форма судовой поверхности задается теоретическим чертежом. Вычисление <J>i, Ф,, <К подразумевает численное интегрирование, которое в ручном варианте довольно трудоемко. Поэтому разработана программа GEOMETRY, с помощью которой процесс вычислений автоматизирован.

В работе приводятся результаты расчета коэффициентов формы корпуса для речных ледоколов проектов 16, Р-47, 1105, 1191.

В третьей главе описано движение ледокола набегамн. Предложены дифференциальные уравнения движения на основных этапах циклической работы и получены решения этих уравнений.

Работа набегами носит циклический характер и складывается из следующих операций. Отход назад в собственном канале осуществляется на расстояние ¡¡,, необходимое для набора скорости вхождения в сплошной лед очередного цикла продвижения . При этом часть пути ледокол движется под действием тяги заднего хода, определяемой безопасностью работы движительно-рулевого комплекса, и часть пути ледокол движется по инерции при реверсе с заднего хода на передний. На отход требуется время tmРазгон на переднем ходу в собственном канале осуществляется исключительно для набора скорости (кинетической энерпш) с положительным ускорением. На пройденный путь при разгоне If, равный полному пути отхода назад, затрачивается время tf. После контакта со сплошным ледяным покровом движение ледокола замедляется вплоть до полной остановки. За это время /„ ледокол продвигается на расстояние /г„ являющееся полезным путем продвижения. При этом ледокол может двигаться при работе энергетической установки РЭУ) на полную мощность вплоть до полной остановки, или при продвижении во льду может быть совершен заблаговременный, до остановки судна, реверс ЭУ на задний ход. В первом случае на продвижение ледокола затрачивается время in и после полной остановки осуществляется реверс движителей с переднего хода на задний, на который затрачивается время fra. Время реверса определяется возможностями 3iu-pi стическей установки и считается известным для конкретного судна. Во втором случае пу п, U по льду складывается из двух слагаемых: пути при движении с работой ЭУ на полную мощность!! пути, который судно проходит при реверсировании ЭУ с переднего хода на задний до полной остановки. Время движения о этом случае /п+/,и. Если не произошло заклинивание корпуса, начинается движение задним ходом. В противном случае, затрачивается некоторое время на освобождение от заклинивания /„,. Поэтому средняя скорость движения набегами определяется:

Определение этой скорости представляет практический интерес для решения задачи оптимизации всего процесса работы ледокола набегами.

Движение ледокола рассмотрено как движеиие системы координат Схуг относи-• тельно O'x'y'z'. Будем полагать, что при движении ледокола его посадка меняется незначительно. Более того, Enkvist'om были поеталены специальные опыты со свободной и жесткой запряжкой модели, показывающие независимость сопротивления от изменения посадки. Поэтому перемещение Схуг будем рассматривать только вдоль оси О'х' и обозначим его х.

Ускоренное двюкение происходит за счет превышения тяги ледокола над ледовым сопротивлением при соответствующих скоростях (здесь и в дальнейшем тяга ледокола на переднем Рст , заднем ходу Ре,, и ледовое сопротивление R определяется за вычетом сопротивления воды движению ледокола, т.е. рассматривается "тяга на гаке" и чистое ледовое сопротивление). Уравнение ускоренного движения задним ходом имеет вид:

(1 + *,',)!>*=■ Л,г-*|Ж. (?)

где Л,',- коэффициент присоединенных масс воды и льда; D - водоизмещение; х - ускорение судна.

Предварительный анализ дифференциального уравнения на предмет получения его аналитического решения позволил тягу на гаке, фигурирующую в уравнении (7), здесь и в дальнейшем аппроксимировать выражением

" fe,„, = /4„|l-I.4<¿/rs)!] , (8)

где Ли ai л» - тяга ледокола на швартовых на заднем или переднем ходу; vc - скорость движения на чистой воде при заданной мощности.

С учетом (2), (8) перепишем дифференциальное уравнение (7) в развернутом виде:

(1 + k\,)Dv¡ ' 1 (1+ *!,)*>

(10)

Решение уравпения (10) с учетом начальных условий (I = 0, х = 0, х = , где »,,0 -скорость движения задним ходом в момент времени равный нулю) имеет вид:

-щ^щу с»)

Торможение задним ходом происходит за счет того, что тяга винтов ледокола равна нулю или направлена в сторону, противоположную движению ледокола (Рш,л). Уравнение поступательного движения на холостом ходу с учетом (2) имеет вад:

(1+-Л-,', = -к,,х (12)

. 1

или х+ А., х = ~В2.,

' Ж, = *".' , В., = к-\" (13)

*' о+*;,)» (»+*!,)»

Решение уравнения (13) с учетом начальных условий (* с О, *«=0, х = где Г1 -скорость движения задним ходом, соответствующая началу маневра): .

I

При работе гребных винтов на передний ход уравнение движения ледокола на заднем ходу с учетом (2), (8) имеет вид:

.2

(1 + к^йх = »„)=] -к,,гх-к^ .

(15)

Уравнение (15) имеет два решения: 1) для случая \.4Ршмг> киг~:

.з

х- А-, X =-Б„.

(16):

I=—

АНЬ + с,; х - I ь((С. -

х(С) = 1п 1' 2 А..

т/А^В^

2) для случая 1.4Гн/.1< А"„1»,0г: • '

С, = - С, = -Т^АГЙ. ^^Г. .

Уравнение ускоренного движения при разбеге ледокола с учетом (2), (8) имеет вид: + -к^, (20) •* , 2

или х+А^х =

(1+*!,)«

Решение уравнения (21) с учетом начальных условий, соответствующих началу маневра: (Г = 0, дг = 0, х = где «лс - скорость разбега ледокола в начальный момент времени): .

I Гд—- • I в , _.

(22)

В результате разбега ледокол приобретает некоторую скорость Гр, с которой он внедряется в сплошной лед, продвигаясь до полной остановки. На этой этапе уравнение поступательного движения с учетом (4) и (8) имеет вид:

(1+*;,)^=гш.^-Ь^/г,х-к, (23)

или х+Алх =-В4,

4 • (24)

В выражении (24) Рта. <к* и В* принимает положительное значение. Это соответствует торможению ледокола вплоть до подлой остановки во льду толщиной больше предельной. Решение уравнения (24) с учетом начальных условий, за которые принят момент

касания ледокола с кромкой целого льда (/ = 0, х = 0, х = г}, где »р - скорость ледокола, приобретенная в процессе разгона) имеет вид:

В четвертой главе описаны натурные исследования движения ледоколов, приведены экспериментальные данные по работе набегами. Описана методика огределе-ния коэффициентов теоретико-экспериментальной модели движения ледоколов на-5ега-ии.

Все имеющиеся экспериментальные данные можно разделить на две группы: с непрерывной записью параметров движения (скорость, частота вращения гребных р;'нт<.-.в, .мощность энергетической установки ледокола, толщина льда) на осциллограммах; с писью отдельных параметров по движению ледоколов набегами.

В данных первого типа в результате эксперимента может быть зафиксирована запись скорости движения или линейного ускорения во времени. Численное интегрирования составляющих линейных ускорений на всем этапе работы позволяет получить зависимость скорости от времени х=((1). Численное интегрирование составляющих скорости или двойное интегрирование составляющих линейных ускорений позволяет получить закон движения судна х=((1) на всем этапе движения. Встречаются случаи когда запись параметров движеши ледокола зафиксирована неполностью, а с какого-то момента времени Л и обрывается в момент времени (г■ При этом численное интегрирование осуществляют на интервале времени от.Л до Гь

Данные второго типа являются менее полными. Параметры, как правило, определяются путем измерений в процессе работы ледокола. Отсюда веточные измерения толщины льда и снега, приблизительное определение длин отхода, разгона и продвижения во льду ледокола. Несмотря на разрозненность и противоречивость представления экспериментального материала, он может быть использован для уточнения теоретических моде' лей- .

Первая группа экспериментальных данных была получена при испытаниях ледокола проекта 1191 "Капитан Мошкин" в январе 1988 года, проводимых Гирысовским институтом инженеров водного транспорта (ГИИВТ) с участием сотрудников Горьковского политехнического института в районе Ханты-Мансийска.

Ко второй группе экспериментальных данных относятся данные, предегззленныг в виде таблиц, с записью отдельных параметров движения по работе набатами для различных проектов ледоколов (Р-47, 16, 1191,1105). Они получены в результате испытаний проводимых ГИИВТ под руководством В.А.Троиина за период с 1972 по 1985 годы. Испытания ледоколов набегами сводилась к измерению затра." времени, пуп; на отдельные этапах работы с фиксированием ледовой обстановки и некоторых других параметров.

Несмотря на различные формы представления экспериментальных данных все они являются уникальными. Поэтому использованы для построения методик расчета движения ледоколов набегами.

Приведенные теоретические модели движения ледокола на различных этапах работы (11), (14). (17) или (19), (22), (25) построены таким образом, что могут быть уточнены в соответствии с имеющимися данными натурных экспериментов путем введенных эмпирических коэффициентов кт, к„, кт, Коэффициенты, позволяющие приводить в соответствие теоретическую модель с натурными данными, в представленной модели являются неизвестными величинами. Они определяются на базе экспериментальных исследований по работе ледоколов набегами раздельно для каждого этапа движения в зависимости от измеренных и необходимых доя расчетов параметров.

Для определения эмпирических коэффициентов било произведено обследование генеральной совокупности и путем выбраковки экспериментальных данных с наибольшими относительными расхождениями по длинам разбега и продвижения получены выборочные совокупности для определения эмпирических коэффициентов битого и сплошного льда, отобранные хотя и направлено, но в конечном итоге случайным образом. Результаты автоматизированных расчетов эмпирических коэффициентов следующие: /.'4=1.38, А„=0.70, ¿„=3.71, ¿р=2.45-106 кПа, Они рассчитывались методом наи-

меньших квадратов с использованием экспериментальных данных по речным ледоколам проектов Р-47, 1191, . 1105 и Диаграмм ледопроходимости. Использование экспериментальных данных сразу по трем проектам сделано не случайно, а для максимального изменения основных определяющих факторов, в частности толщины льда и коэффициентов формы корпуса ледоколов. В описанных натурных данных содержится более бедная информация по характеристикам льда, чем та которая заложена в теоретических моделях. К недостающим характеристикам ледяного покрова относятся константы упругости Ей II, плотность льда (ы и коэффициент трения В расчетах эмпирических коэффициентов они принимались равными среднестатистическими дм речного льда: 5=5-10' кПа, ц= 0.33, (ь- 0.9 т/м, /=0.15. Коэффициенты формы корпуса принимались для условной посадки ледокола по КВЛ, хотя в процессе эксплуатации посадка несколько изменяется, но не была зафиксирована в опыте. Невозможность прямого измерения сопротивления К и тати винтов в значительно"! степени ухудшает качество натурных данных.

Следует отмстить, что при накоплении данных натурных исследований эмпирические коэффициенты могут уточняться. Увеличение количества и повышение качества д.ишых натурных экспериментов приводит к повышению надежности кг, кт, А>. А'оа, а следовательно и методики расчета дииження ледокола набегами. То есть, приведенную тсорешко-эксиериментальную модель следуег рассматривать в единстве с используемыми натурными данными. '

3_п ч той г л а р. е описана математическая модель средней скорости движения набегами, рлссмсмрсиы вопросы влияния формы корпуса ледокола и соотношений глав-н;« рхшеуещш на кффекттткпеть работы набегами. Разработана оптимальная тактика ^¿•Гогы кабегамм, : ■ • •

И

Из совокупности решений дифференциальных уравнений на основных этапах движения набегами получена математическая модель средней скорости »>„. При построении алгоритма расчета принята следующая схема движения: при отходе ледокол увеличивает скорость до скорости заднего хода р„, которую он разовьет за пройденный путь и условий безаварийной работы движительно-рулевого комплекса; после этого производят реверс гребного электродвигателя (ГЭД), согласно инструкции по эксплуатации, и ледокол по инерции проходит путь Í»,; полный путь отхода Д,т+Ап равен длине разбега ледокола /р; ледокол подходит к кромке сплошного ледяного покрова с некоторой скоростью i'p и продвигается до полной остановки при работе энергетической установки на полную мощность; производят реверс ГЭД с переднего хода на задний, если произошло заклинивание корпуса, то затрачивается некоторое время на освобождение от заклннноаши е.-..

Определение параметров движения ледокола /„, tn, ta, ttp определяются по кепочке. Конечный результат текущего этапа является начальными условиями для следующею этапа. Полученные величины 1п, fn, fot, im, tp вместе с задаваемым временем репере .'.i энергетической установки с переднего хода на задний Аи определяют среднюю скорость дпм-жения ледокола набегами (6). Расчет параметров движения ледоколов набегами аазо\п-тизирован с помощью разработанной программы V-OPT.

Проиллюстрирован расчет средней скорости движения v„ в зависимости от длинм разбега I? для четырех проектов речных ледоколов в разных толщинах льда (рис.).

В качестве обобщения опыта проектирования представляет интерес сравнение качества форм корпусов ледоколов пр. 16, Р-47, 1105, 1191, находящихся в эксплуатации. Однако, для ледоколов, спроектированных на различные ледовые условия, такое сравнение может быть выполнено условно.

При проектировании формы корпуса необходимо иметь критерии оценки ее качества. За критерий качества формы корпуса ледокола, расчитанного иа работу набегами и прокладки ледового канала определенной ширины, принята максимальная средняя скорость движения.

Выполнено прямое сравнение средней скорости движения набегами для двух проектов ледоколов Р-47, 1105 с их главными энергетическими установками и различными формами корпусов. Исследуемые формы корпусов афинно преобразованы на ширину исследуемых судов с сохранением коэффициентов полнот водоизмещения носовой и кормой оконечности, коэффициента полноты мидель-шпангоута, соотношений главных размеренна оконечностей.

Для двух групп ледоколов (пр. Р-47 с формами обводов проектов 16, 1105 1191 и пр. 1105с формами обводов проектов 16, Р-47, II91) произведены расчеты средней скорости движения набегами го программе V-OPT. По результатам расчета можно сделать следующие выводы.

. Лучшей с точки зрения работы ледокола набегами является форма корпуса ледокола пр.1191. Ледоколы пр.16, Р-47, 1105, 1191 спроектированы в период с 1950 по 198.5 года и каждая новая форма корпуса ледокола была шагом вперед и основывалась на

.» пр. Р-47

пр.1105

Рис.

Зависимости средней скорости движения ледоколов набегами от длины разбега.

имеющемся к тому времени опыте эксплуатации и преемственности. Форма корпуса ледокола пр. II91 эффективнее для всего диапазона толщин льда. Эта. форма корпуса имеет более пологиебатоксы, по сравнению с другими формами корпусов. Пологие обводы являются лучшими с точки зрения ходкости. Однако, ледоколы с такой формой корпуса подвержены заклиниванию, но современные технические' мероприятия, в частности применение пневмоомывающих устройств (ПОУ), позволяют применять такую форму корпуса. Произведена сравнительная оценка экономии топлива и ходового времени для ледоколов с собственной и лучшей формой корпуса.

Из числа главных размерений судна самым важным параметром, оказывающим наибольшее влияние на его ледовую ходкость, является ширина. Из выражений (2) и (4) видно, что увеличение ширины приводит к возрастанию чистого ледового сопротивления битого н сплошного льда.. Таким образом, из соображений ледовой ходкости выгодно, чтобы суда ледового плавания имели минимально возможную ширину керпуса. Однако, помимо требований ледовой ходкости, ширина корпуса ледокола должна бить достаточной для прокладывания канала требуемого размера. Ширина мощного и среднего ледокола определяется условиями размещения главных механизмов и ширимоЛ проводимых судов. Изменение длины судна не оказывает существенного влияния на его ледовую ходкость, что подтверждается анализом формул (2) и (4).

Произведена оценка влияния соотношения главных размерений на эффективность работы набегами на примере речного ледокола пр.! 105. За критерий эффективности работы набегами принята максимальная средняя скорость движения.

Влияние UB, В/Т, ЦТ можно оценить, если для одного ледокола с его энергетической установкой проварировать соотношения глазных размерений, изменяя таким образом его основные характеристики и получая новые модификации путем афинных преобразований с сохранением коэффициентов полноты водоизмещения носовой и кормовой оконечности, коэффициента полноты мидель-шпангоута и кубического модуля ' LDH.

Задаваясь соотношениями L/B, BJTia уравнения плавучести однозначно определяем ширину ледокола В, а затем остальные главные размеренна L, Г, П.

При проектировании линейного ледокола, рассчитанного на определенную ширину прокладываемого канала, влитние соотношений главных размерений можно оценить варированием L/Tпри неизменной ширине 8. Задаваясь соотношением L/T\ из уравнения плавучести однозначно определяем осадку ледокола Г, затем длину L и высоту борта ледокола/Г.

Для всех модификаций ледокола пр.! 105 (с разными LIB, В/Т, L/T) произведено расчеты средней скорости движения набегами по программе V-OPT. На основании расчетов можно сделать следующие выводы.

С ростом LiS и В/Т при одинаковом водоизмещении происходит увеличение длины корпуса, уменьшение осадки и увеличение ширины корпуса, следовательно меняет« характер обводов корпуса, изменяются углы наклона судовой поверхности. Биокси становятся более полопша и приближаются к обводам ледокола пр. 1191. Такие обводы,

Г7

как было показано ранее, являются лучшими с точки зрения ходкости при применении технических мероприятии, предупреждающих заклинивание ледокола.

При увеличении 1/Г также происходит увеличение длины корпуса, уменьшение осадки при неизменных ширине корпуса и водоизмещения. В этом случае также меняется характер обводов корпуса. Еатоксы становятся более пологими. Поэтому улучшайся ходкость ледокола.

При таком варнроганки соотношений главных размеренна происходит изменение формы корпуса. Поэтому для оценки однозначного влияния, например 1>, на примере ледокола пр.1105 проварировано 17В в пределах от 4 до 6, причем носовая и кормовая оконечности оставлены без изменения, т.е. сохранены В, Т, £„, 5«, 8«, Р и геометрические характеристики формы. Тогда изменение длины корпуса произведено за счет цилиндрической вставки. Задаваясь значениями Ь/В определяем длину корпуса однозначно, поскольку ширина В остается неизменной, водоизмещение ледокола, коэффициент полноты водоизмещения 5, скорость движения и площадь подводной части корпуса, облегаемую льдом. Для этих ледоколов был произв'еден расчет средней скорости движения набегами.

Изменение водоизмещения за счет цилиндрической вставки варированием ТУЕ при неизменных ширине, мощности, осадки, формы корпуса практически не оказывает влияния на среднюю скорость движения. Это можно объяснить неоднозначным влиянием водоизмещения на среднюю скорость движения набегами. При увеличении водоизмещения О следует ожидать большого продвижения в сплошном льду, однако за счет увеличения длины цилиндрической вставки скорость движения судна на чистой воде уменьшается, набор кинетической энергии в канале битого льда происходит медленнее, сопротивление движению возрастает, тяга ледокола уменьшается.

Но при проектировании ледокола следует иметь в виду, что увеличение длины его корпуса за счет цилиндрической вставки нежелательно по условиям работы набегами в тяжелых льдах, так как при этом возрастает протяженность зон заклинивания и ухудшаются условия освобождения от заклинивания, уменьшается средняя скорость движения.

Возможности ледокола определяются его разиерениямн, формой корпуса и мощностью главной энергетической установки. Для конкретного ледокола эти параметры фиксированы, поэтому для достижения максимальной скорости движения на первый план выступает тактика судовождения.

Следует отметить, что длина продвижения в сплошном льду зависит от скорости разбега 1'р, следовательно от длины разгонного участка 1Г, а суммарное время цикла набе-тл от всех этапов маневрирования. Поэтому, естественным является вопрос об определении оптимальной длины разбега ледокола в зависимости от толщины ледяного покрова. За целевую функцию может быть принята максимальная средняя скорость движения г,,, явлиюшяяся основным показателем ходкости ледокола набегами.

Естественным является то, что при увеличении толщины льда максимальная средн и скорость движения .»,уменьшается (рис.). Следует отметить, что изменение Гн Гтрн увеличении /р имеет различный характер. Если при возрастания длины разго-

'ь

на до оптимальной /р°р' средняя скорость и» растет интенсивно, то при дальнейшем увеличении 1р происходит довольно плавное снижение гя (рис.). То есть, при некотором увеличении I? сверх средняя скорость остается близкой к оптимальной. Это дает свободу для выбора длины разбега судоводителю и подтверждается экспериментальными данными по работе ледоколоз набегами. При увеличении длины разбега сверх оптимальной увеличивается продвижение за один цикл, а следовательно уменьшается частота циклов на единицу пути.

На основе проведенных расчетов прехтатаегся инструкция по выбору оптимальной тактики работы ледоколов набегами. Выполнено техника - экономическое обоснование предлагаемой оптимальной тахтихи.

Некоторые экспериментальные данные по работе ледскола пр.! 105, ьиирзн^ли случайным образом, были подвергнуты сравнению с оптимальными параметрами дгпч.с-ния. Данное сравнение показало, что использование оптимальной тактики диипге.ч/ы набегами дает экономический эффект. Эсплуатационные затраты спил.-аются за счет снижения времени на заданную ледокольную работу, экономия топллвл составляет дп %. Таким образом, эффективность работы ледоколов ¡тоетами зависит от-прапилыкч о маневрирования энергетической установкой, а также определяется ледовыми услсг.иямн.

В заключении приведены основные результата, которые сводятся к следу:о-

щему:

1. Выполнено исследование ледового сопротивления и его составляющих при движении ледокола в сплошном ледяном поле и канале битого льда.

2. Предложены дифференциальные уравнения движения ледокола на разных этапах циклической работы набегами и получены их решения. Математические модели движения построены таким образом, что могут быть уточнены в соответствии с имеющимися экспериментальными данными натурных испытаний путем введения эмпирических коэффициентов. Получены зависимости, позволяющие выполнять расчеты параметров движения ледокола набегами.

3. Проанализированы различные данные натурных испытаний ледоколоз в тяжелых льдах. Разработана методика определения эмпирических коэффициентов расчетной модели движения ледокола набегами с использованием натурных данных.

4. Предложены полуэмпирические методы расчета сопротивления речного ледокола при движении в сплошном ледяном покрове и кянале битого льда. Получена математическая модель определения средней скорости и параметров движения ледохола на различных этапах работы набегами. Произведены расчеты по предложенной модели. Полученная математическая модель удовлетворительно согласуется с натурными эксл:-

^ риментальнмми данными.

5. Математическая модель движения ладокола набегами построена таким гбра)пм. чти мо'кет быть уточнена и настроена на расширяющийся объем информации по ндтурч. п Л ь'шым. Полученные математические модели можно рекомендовать хм яслол-, •!>>:;.• при определении тактики работы сутгсп-лющих лед'молов и для проосЗ'ир-- >.;>••! .• дсрой чод-тсти при проектировали:».

6. Проанализировано влияние форм корпусов и соотношений главных размеренны со-' временных речных ледоколов на эффективность работы набегами. Выполнена оценка экономии топлива и ходового времени при оптимизации проектных характеристик.

7. Определены оптимальные режимы работы набегами во льдах различной толщины для четырех проектов речных ледоколов: Р-47, 16, 1191, 1105. .

8. Разработана оптимальная тактика работы ледокола набегами, которая позволяет выбирать оптимальнее параметры движения для конкретного ледокола и ледовых условий. Выполнена оценка экономической эффективности.оптимальной тактаки работы.

В приложениях приведены экспериментальные и расчетные графики параметров движения речных ледоколов набегами, а также тексты-разработанных программ.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

I. Математическая модель работы ледокола набегами (в соавторстве с Зуевым В.А., Граммовым Е.М.) // Отчет НГТУ "Взаимодействие судов со льдом", № ГР 01890064097, инв. Ni 02940002486, Н.Новгород, 1994,- 83с.

1. Исследование движения ледоколов в нестационарных условиях (в соавторстве с Граму-' зовым Е.М.) // НГТУ. - Н.Новгород, 1994. - 41с. - Деп. в ЦНИИ "Румб" 02.06.94, N¡ ДР -3530.

3. Исследование параметров движения ледоколов набегами (в соавторстве с Грамуэогым Е.М.) Ц Проектирование, теория и прочность судов, плавающих во льдах: Межвуз. сб.

/НГТУ.- Н.Новгород, 1995. .'

4. Оптимизация работы ледокола набегами (в соавторстве с Грамузовым Е.М.) // Проектирование, теория и прочность судов, плавающих во льдах: Межвуз. сб. / НГТУ. -Н.Новгород, 1995.

5. Models of Interaction of Ice-Breakers with Ice Cover at Unstationary Conditions (в соавторстве с Зуевым В.А., Грамузовым Е.М.) // 13-th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition, August 15-18, 1995, Murmansk, Russia, Volume 2, St.-Petersburg, 1995.

6. Определение параметров движения ледокола набегами на базе натурных наблюдений (в соавторстве с Грамузовым Е.М.) И НГТУ. - Н.Новгород, 1995. - 14с. - Деп. в ЦНИИ ни. ак. Крылова 10.10.95, №ДР-3578.

7. Теоретико-экспериментальные исследования работы ледокола набегами (в соавторстве с Зуевым В.А., Грамузовым Е.М.) // Отчет НПУ "Взаимодействие судов со льдом", № ГР 0189006-4097, инв. № 02960000055, Н.Новгород, 1995,- 94с.

s. 1 mitigation of Movement of Ice-Breaker by Ramming in Thick. Solid Icc Cover (в соавторстве с Грамузовым Е.М.) // International Conference on Development and Commercial Utilization of Technologies in Polar Regions, September 24-26, 1996, St.-Petcrsburg, Russia.

4. Тактика рабош ледокола набегами (в соавторстве с Грамузовым Е.М.) // Отчет НГТУ "Взаимодействие судов со льдом", N!¡ ГР 01S90064097, инв. №, Н.Новгород, 1996.- 45с.

:о