Рычажно-подвесной успокоитель качки корабля

 

Использование: кораблестроение. Сущность изобретения: рычажно-подвесной успокоитель качки корабля содержит нечетное число подвижно связанных между собой и корпусом корабля рычагов. Нижний рычаг своим нижним концом неподвижно связан с грузом, а верхний рычаг своим верхним концом неподвижно связан с корпусом корабля. 4 ил.

Изобретение относится к кораблестроению, в частности к успокоителям качки корабля.

Известен успокоитель качки корабля, содержащий груз (см. книгу А.Н. Шмырев и др. Успокоители качки судна. Л. Судостроение, 1972, с. 20, 21).

Недостатком известного успокоителя качки корабля является его недостаточная надежность и эффективность работы.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и эффективности работы успокоителя качки корабля.

Он достигается тем, что рычажно-подвесной успокоитель качки корабля, содержащий груз, снабжен нечетным числом подвижно связанных между собой и корпусом корабля рычагов, расположенных перпендикулярно к основной плоскости корабля, причем нижний рычаг своим нижним концом неподвижно связан с упомянутым грузом, а верхний рычаг своим верхним концом неподвижно связан с корпусом корабля.

На фиг. 1 изображено сечение корабля с успокоителем качки при угле крена Θ = 0°; на фиг. 2 то же при угле крена Θ ≠ 0°; на фиг. 3 то же с указанием действия сил и моментов при угле крена Θ ≠ 0°; на фиг. 4 устройство успокоителя качки.

Фиг. 1, фиг. 2, фиг.3 представляют сечение корабля в плоскости ZOY корабельной системы координат, на которых показаны ватерлиния WL при угле крена Θ = 0°, ватерлиния W₁L₁ при крене Θ ≠ 0°, рычаг с плечами GG₁, GG₂, шарнирное соединение рычага с корпусом корабля в центре тяжести корабля, точка подвешивания груза G, G₁ центр тяжести груза, вектор силы веса груза. Очевидно, как показано на фиг. 1, при крене Θ = 0° сила P не образует моментов. При крене Θ ≠ 0°, как это видно на фиг. 2, груз, как всякое подвешенное тело, смещается в сторону крена. Смещение груза, как известно, обуславливается возникновением горизонтальной составляющей вектора силы : , и приводит, в частности, к образованию момента DM_у усиливающего качку. Если же короткое плечо GG₂ неподвижно соединить с корпусом корабля в точке G₂, то при крене Θ на корпус корабля будет воздействовать сила, показанная на фиг. 3, .

Силы образуют восстанавливающий момент успокоителя , умеряющий качку.

Успокоитель включает в себя груз 1, опору 2, нижний рычаг 3, центральный рычаг 4, верхний рычаг 5.

Груз 1 с его весом P является тем рабочим телом, за счет которого формируется, как описано выше, момент . Главное требование к грузу 1 - максимально возможный удельный вес при минимальных габаритах.

Поскольку основной рост сил, обеспечивающих необходимый при качке корабля восстанавливающий момент успокоителя, осуществляется за счет системы рычагов, в качестве груза 1 целесообразно и необходимо использовать вес табельных, штатных грузов. Для подвешивания груза 1 пригодны платформы, выгородки, цистерны. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы груз 1 располагался как можно ниже с целью увеличения плеча GG₁. Опора 2 служит для подвешивания груза 1, соединения рычагов 3, 4, 5 между собой и корпусом корабля 6, передачи действия момента на корпус корабля 6. Учитывая значительные силовые нагрузки, опора 2 должна иметь прямоугольную форму с усиленным поперечным сопротивлением. Опора 2 располагается в диаметральной плоскости и неподвижно соединяется с корпусом корабля 6. Для шарнирного соединения рычагов 3, 4, 5 опора 2 имеет цапфы 7.

Рычаги 3, 4, 5 предназначены для увеличения момента . Длинное плечо G₁G₂ нижнего рычага 3 неподвижно соединяется с грузом 1. Короткое плечо G₂G₃ этого рычага находится в зацеплении с плечом GG₃ центрального, равноплечего рычага 4, роль которого аналогична роли паразитной шестерни, изменяющей знак вращательного момента. Плечо GG₄ центрального рычага 4 находится в зацеплении с длинным плечом G₄G₅ верхнего рычага 5. Посредством цапф 7 рычаги 3, 4, 5 шарнирно соединяются с опорой 2 в точках G₂, G, G₅, G₆. Цапфа 7 центрального рычага 4 должна располагаться в построечном центре тяжести G корабля, который остается неподвижным при бортовой качке, около которого совершается вращательное движение корабля. Для предотвращения асимметричных нагрузок на опору 2, как показано на фиг. 4, рычаги 3, 4, 5 целесообразно размещать с двух сторон опоры 2. Очевидно, что количество рычагов, соотношение их плеч определяются степенью увеличения горизонтальной составляющей ΔP силы веса P груза 1. Однако в любом случае количество рычагов успокоителя должно быть нечетным. Только в этом случае будет иметь место восстанавливающий момент. Все детали успокоителя изготавливаются из металла. Механизм действия успокоителя состоит в том, что с возникновением крена Θ нижний рычаг 3 под воздействием силы DP будет стремиться к повороту вокруг шарнирного соединения 7 в точке G₂ против часовой стрелки. Связанные подвижно с рычагом 3 рычаг 4 будет стремиться к повороту вокруг шарнирного соединения 7 в точке G по часовой стрелке, а рычаг 5 к повороту вокруг шарнирного соединения 7 в точке G₅ против часовой стрелки. Однако неподвижная связь рычага 5 с опорой 2 и корпусом 6 корабля, осуществляемая за счет шарнирных соединений в точках G₅, G₆, будет препятствовать развороту рычагов 3 5. Разворот рычагов 3 5 вокруг осей в точках G₃, G, G₅ возможен только на величину люфта в местах соединения рычагов 3 5. Поэтому груз 1 практически остается неподвижным относительно корпуса 6 корабля. Необходимо иметь в виду, что рычаг позволяет увеличить силу многократно, но при этом проигрывается расстояние действия сил обратно пропорционально отношению плеч рычага. Поэтому количество рычагов усилителя ограничено.

Следует подчеркнуть, что в рычажно-подвесном успокоителе качки используется известная закономерность, согласно которой каждый элемент нагрузки корабля ΔP, расположенный ниже центра тяжести G, приводит при наклонениях корабля к образованию восстанавливающего момента. Подвешивание груза 1 посредством нижнего рычага 3 в точке G₂ расположенной ниже, но в непосредственной близости к центру тяжести корабля, практически не вызывает изменения построечной частоты качки корабля: 4) , где η метацентрическая высота, C коэффициент пропорциональности, B ширина корабля.

Система рычагов позволяет обеспечить необходимые надежность и эффективность работы успокоителя, что подтверждается при анализе работы успокоителя. В исходном положении при Θ=0°, как уже отмечалось, успокоитель не работает. С образованием угла крена Θ≠0°, как показано на фиг. 4, возникает горизонтальная составляющая силы ΔP, приложенная в центре тяжести груза G₁. При этом образуются силы и момент ΔM_z.

Согласно законам о рычаге значение сил и моментов определяется уравнениями где m₁, m₂, m₃ моменты рычагов 3, 4, 5.

Из уравнений (1), (5), (9) следует, что значения сил и моментов зависят от синуса угла крена Θ меняют свой знак одновременно о изменением знака q. Следовательно, частота качки ν корабля не может отличаться от частоты изменения сил и моментов, что свидетельствует об отсутствии у рычажно-подвесного успокоителя парциального спектра частот и его высокой надежности. Из уравнений (7) (9) видно, что значение восстанавливающего момента успокоителя DM_z зависит не только от величины P. Эффективность работы успокоителя в большой степени зависит от величины плеча, отношения плеч G₁G₂, G₃G₄, G₅G₆. Следовательно, представляется возможность использовать для обеспечения работы успокоителя в качестве груза 1 не балласт, а полезно перевозимый груз. Таким образом, предложенное техническое решение позволяет предупредить бесполезную транспортировку балласта, повышение буксирного сопротивления корабля, увеличение мощности энергетической установки и тем самым уменьшить расход топлива для сохранения скорости корабля, обеспечивая при этом за счет оптимального значения плеч рычагов 3, 5 необходимое значение восстанавливающего момента успокоителя
Очевидно, что работа успокоителя качки не изменится, если он будет смещен по оси ординат Y или оси абсцисс X на некоторую величину ΔY и ΔX. Однако в этом случае для предупреждения асимметричности весовой нагрузки корабля необходимо установить симметрично относительно начала корабельной системы координат на расстоянии -ΔY или ΔX аналогичные успокоители, что обеспечит нахождение равнодействующей сил веса грузов успокоителей на оси Z. Безусловно, если вес асимметрично расположенных успокоителей будет компенсирован относительно начала корабельной системы координат другими элементами весовой нагрузки корабля, то это не приведет к ухудшению работы успокоителей. Главное требование к расположению успокоителей перпендикулярность рычагов к основной плоскости корабля. Указанное техническое решение упрощает возможности установки успокоителей, позволяет исключить необходимость оборудования специальных помещений. В случае установки ряда успокоителей восстанавливающий момент батареи успокоителей
,
где n количество успокоителей, восстанавливающий момент отдельно взятого успокоителя.

Однако вышеприведенное еще не дает полного представления о работе успокоителя качки, если не проанализировать его работу с точки зрения условий равновесия. Прежде всего следует подчеркнуть, что система рычагов 3, 4, 5 представляет собой систему сочлененных тел и не может рассматриваться как абсолютно твердое тело. Действительно, как это видно на фиг. 4, груз 1 с его вертикальной составляющей силы веса P·cosΘ, приложенной в точке G₂, действует на нижний рычаг 3 и не оказывает никакого воздействия на рычаги 4, 5. Это уже одно обязывает рычаги 3, 4, 5 считать системой сочлененных твердых тел. Поэтому, как это принято в механике, задачу на равновесие рычагов 3, 4, 5 необходимо решать путем рассмотрения равновесия каждого рычага в отдельности. При этом рычаги 3, 4, 5 можно рассматривать как три последовательно защемленных балки-консоли. Для рычага 3 защемленной частью рабочим просветом является плечо G₂G₃, а в качестве консоли служит плечо G₁G₂, нагруженное сосредоточенной силой DP. По аналогии для рычагов 4, 5 рабочими просветами, консолями, нагрузками следует считать соответственно плечи GG₄, G₅G₆, GG₃, G₄G₅, F₁, F₂. Составляя уравнения равновесия, например, для рычага 3, следует исходить из того, что, как видно на фиг.4, приложенная к рычагу 3 в точке G₁ сила ΔP стремится повернуть рычаг 3 так, чтобы давление рычага 3 на шарнир в точке G₂ было направлено параллельно оси Y вправо, а поэтому реакция опоры 2, корпуса корабля 6, будет направлена параллельно оси Y влево. Давление рычага 3 на рычаг 4 в точке соприкосновения G₃ будет направлено также параллельно оси Y но влево. Следовательно, реакция опоры 2 будет направлена вправо параллельно оси Y. Если сделать схематический чертеж сил, как это принято в механике, то можно составить уравнения моментов относительно точки G₃
11) Σ _m= -R_aG₂G₃+ ΔP(G₁G₂+G₂G₃)=0
и уравнение моментов относительно точки G₂
12) Σ _m= -R_вG₂G₃+ΔPG₁G₂,
найти значение сил реакции
и составить уравнение равновесия сил
,
которое превращается в тождество, что подтверждает правильное определение модулей, направлений, точек приложения рассмотренных сил. Следовательно, есть основание утверждать, что формула (5), определяющая силу , соответствует законам механики. Очевидно, что решение уравнений равновесия для рычагов 4, 5 приведет к подтверждению справедливости формул (6), (7), определяющих силы . Таким образом, систему рычагов 3, 4, 5 следует рассматривать как конструкцию, которая состоит из отдельных нежестко связанных между собой рычагов, на которые соответственно действуют силы . Силы -F₁ и ΔP вращают рычаг 3. При этом моменты сил относительно шарнира в точке G₂ по модулю равны
,
а сумма моментов сил, вращающих рычаг 3,
15) m₁= F₁·G₂G₃+ΔP·G₁G₂= 2F₁·G₂G₃= 2ΔP·G₁G₂.

Аналогично суммы моментов, вращающих рычаги 4, 5 соответственно, будут равны
,

При этом, как принято, моменты m₁ и m₃ будут положительными, а момент m₂ отрицательным. Сумма моментов m₁, m₂, m₃ составляет момент успокоения качки:

Анализируя эффективность работы и устройство успокоителя качки, согласно формуле (18) следует прежде всего подчеркнуть, что восстанавливающий момент ΔM_z зависит не только от силы ΔP веса P груза 1, но и от значения плеч рычагов 3, 4, 5. Момент ΔM_z будет тем больше, чем больше отношение плеч G₁G₂, G₂G₃ рычага 3. Конструкция рычага 3 должна иметь максимально возможное значение плеча G₁G₂ и минимально возможное значение плеча G₂G₃; очевидно, что эти требования будут справедливы и в отношении плеч G₄G₅, G₅G₆ рычага 5. Учитывая отрицательное значение момента m₂ рычага 4, значение плеч GG₄ GG₃ рычага 4 должно быть минимальным. Для оценки эффективности работы успокоителя качки в зависимости от значения плеч рычагов 3, 4, 5 при неизменном значении силы ΔP, веса P груза 1 предположим, что конструкция успокоителя качки состоит из равноплечных одинаковых рычагов 3, 4, 5, когда плечи рычагов
G₁G₂ G₂G₃ GG₃ GG₄ G₄G₅ G₅G₆.

В этом случае моменты рычагов 3, 4, 5 согласно формулам (15) (17)
m₁= 2ΔP·G₁G₂= m₂=2ΔPGG₄=m₃=2ΔP·G₄G₅,
а момент успокоителя качки
ΔM_z= m₁-m₂+m₃= m₁=m₃.

Очевидно, что рассмотренная система рычагов 3, 4, 5 утрачивает всякий смысл потому, что может быть замещена либо рычагом 3, либо рычагом 5.

Если проанализировать систему рычагов 3, 4, 5, которая будет состоять из двух одинаковых рычагов 3, 5 с плечами G₁G₂ G₄G₅; G₂G₃ G₅G₆, отношение которых n G₁G₂ G₂G₃ G₄G₅ G₅G₆, и рычага 4 с плечами GG₃ GG₄ G₂G₃ G₅G₆, то согласно формуле (18) момент успокоителя
.

Очевидно, что с увеличением отношения n пропорционально будет расти момент ΔM_z. Таким образом, за счет системы рычагов 3, 4, 5, не меняя вес груза 1, представляется возможным повысить эффективность работы успокоителя в n раз.

Формула изобретения

Рычажно-подвесной успокоитель качки корабля, содержащий груз, отличающийся тем, что он снабжен нечетным числом подвижно связанных между собой и корпусом корабля рычагов, расположенных перпендикулярно к основной плоскости корабля, причем нижний рычаг своим нижним концом неподвижно связан с упомянутым грузом, а верхний рычаг своим верхним концом неподвижно связан с корпусом корабля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3