14337

Якорное устройство судна. Экспериментальная оценка уравнения цепной линии

Лабораторная работа

Физика

Тема: Якорное устройство судна. Экспериментальная оценка уравнения цепной линии. Цель работы: Ознакомление с характеристиками и физическим явлением используемом в якорном устройстве. Задача: Определить основные параметры формы тяжелой гибкой нити усилия натя...

Русский

2013-06-03

270.5 KB

4 чел.

Тема: Якорное устройство судна. Экспериментальная оценка уравнения цепной линии.

Цель работы: Ознакомление с характеристиками и физическим явлением, используемом в якорном устройстве.  

Задача: Определить основные параметры формы тяжелой гибкой нити (усилия натяжения Т и углы провисания α якорной цепи от собственного веса Q в точках ее крепления: клюзовой К и якорной  Я) и сравнить их с теоретическим решением, полученным на основе уравнения цепной линии.

Краткая теория:

Якорное устройство состоит из якоря, якорной цепи, приводного механизма (шпиля или брашпиля), якорного клюза, приспособлений для крепления (стопор) и аварийной отдачи (жвака-галс с глаголь-гаком и т.п.) и служащее для закрепления судна за донный грунт водоема как при рабочих так и аварийных его стоянках на открытых акваториях, защищенных и не защищенных береговыми сооружениями.

Одним из основных конструктивных элементов якорного устройства, передающего усилие держащей силы от якоря, закрепленного на грунте, через якорный клюз на судно является якорная цепь, - металлическая тяжелая гибкая нить (состоящая из  отдельных, шарнирно соединенных между собой овальных элементов - звеньев), способная воспринимать только растягиваю-щие усилия Т(Q), возникающие под действием её собственных сил веса Q , внешних сил натяжения Т(R) от сопротивления судна R  и Т(Rволн) от рывков Rволн при волнении.

При стоянке судна на якоре вытравленная за борт и закрепленная в точках подвеса (клюзовой К и якорной Я) якорь-цепь провисает по сложной кривой в виде параболы, не симметричной относительно этих точек, форму которой можно описать уравнением цепной линии.

При свободном провисании без касания о грунт якорь-цепь подвержена только усилиям растяжения Т(Q) от её собственного веса Q в характерных точках цепной линии – клюзовой К и якорной Я (точках крепления цепи соответственно на клюзе и якоре) и в самой низшей её точке, точке М. (см. рис 3.1 и 3.2). При этом  указанные усилия (их взаимное перераспределение) существенно зависят от угла α провисания якорь-цепи в точках К и Я.

Усилия Т(Q) должны учитываться при расчете суммарных усилий в якорь-цепи (ТΣ= Т(Q)+Т(R)+Т(Rволн)) при стоянке судна на якоре, а также всего якорного устройства в целом, так как от данных параметров зависит надежность якорного устройства (держащая сила якоря и якорь-цепи Тякяк.ц., потребная мощность приводных механизмов N, достаточная прочность узлов крепления Тразр ≥5∙Т и т.п.) и надежность самой якорной стоянки судна [1].

Взаимозависимость усилий Т и углов α описывается уравнением цепной линии в виде [2]:

     

где                 

α

- угол провисания якорь-цепи в данной характерной точке 

 (М, К и Я), град;

q = Q/l

– погонная масса (погонный вес) якорь-цепи, кг/м;

Q

– масса (вес) якорь-цепи, кг;

l

– длина якорь-цепи, м;

Z

– аппликата  точек (К и Я)  подвеса  якорь-цепи  относительно самой низшей её точки М, м;

T(Q)

– усилие натяжения якорь-цепи от её собственного веса Q, кг.

Ход работы:

Оборудование (см.рис.3.1 и 3.2):

  •  стенд, моделирующий стоянку судна на якоре при свободном (без касания о грунт) провисании якорь-цепи и нагруженной только растягивающими усилиями Т(Q) от её собственного веса Q;
  •  исследуемая якорь-цепь калибром К, массой (весом) Q и длиной l;
  •  штангенциркуль для замера калибра К якорь-цепи;
  •  динамометры типа ДПУ – 002-2 для замера усилий Т(Q) в якорь-цепи;
  •  линейка для замера длины участков а, в, Zправ , Zлев , lправ , lлев и длины l якорь-цепи;
  •  транспортир для замера углов αправ , αлев провисания якорь-цепи в точках её крепления К и Я;
  •  мелок для отметки самой низшей точки М якорь-цепи.

                                  

Рис.3.1  Схема экспериментальной установки

1-линейка; 2-транспортир; 3-рукояка фиксации штанги; 4-струбцина крепления штанги; 5-подвижная регулируемая штанга с крючками 6, 12 для подвески нижней (якорной) ветви якорь-цепи; 7-узел крепления верхней (клюзовой) ветви якорь-цепи; 8 – клюзовый динамометр; 9 – полотно стенда с координатной сеткой; 10 – исследуемая якорь-цепь; 11 – якорный динамометр; К – клюзовая точка подвеса якорь-цепи; Я – якорная точка крепления якорь-цепи; М – низшая точка провисания якорь-цепи; а – расстояние между точками К и Я по горизонтали; в – расстояние между точками К и Я по вертикали; Ζправ, Ζлев – аппликаты точек К и Я относительно точки М.

Рис. 3.2   Расчетная схема эксперимента

Точка К –клюзовая (правя верхняя) точка подвеса якорь-цепи; Точка Я – якорная (левая нижняя) точка крепления якорь-цепи; Точка М – низшая точка провисания якорь-цепи; а, м – расстояние между точками К и Я по горизонатли; в , м – расстояние между точками К и Я по вертикали; Zправ , Zлев , м – аппликаты точек К и Я относительно точки М; Zправ= Zлев+ в, м; αправ , αлев, град – углы провисания (углы между касательными к якорь-цепи в точках К и Я и горизонталью) соответственно правой (клюзовой) и левой (якорной) ветвей якорь-цепи; Q, кг – масса (вес) якорь-цепи; ТМ(прав), ТМ(лев), Тправ (Q), Тлев(Q), кг – растягивающие усилия в соответствующих точках М, К и Я якорь-цепи от её собственной силы веса Q.

Техника выполнения эксперимента

1. Выбрать якорь-цепь для исследования согласно варианту табл.3.1.

Задаваемые параметры якорь-цепи                 Табл.3.1

№ варианта

Якорь-цепь

№1

№2

№3

Расстояния между клюзовой К и якорной Я точками подвески якорь-цепи, м

По горизонтали а

По вертикали в

По горизонтали а

По вертикали в

По горизонтали а

По вертикали в

1

0,850

0,400

0,600

0,100

0,850

0,800

2

0,850

0,350

0,600

0,200

0,850

0,700

3

0,850

0,300

0,600

0,250

0,850

0,600

4

0,850

0,250

0,600

0,300

0,850

0,500

5

0,850

0,200

0,700

0,100

0,850

0,400

6

0,850

0,150

0,700

0,150

0,850

0,300

7

0,850

0,100

0,700

0,200

0,850

0,200

8

0,850

0,050

0,700

0,250

0,850

0,100

9

0,800

0,350

0,700

0,300

0,800

0,700

10

0,800

0,300

0,700

0,350

0,800

0,600

11

0,800

0,250

0,800

0,050

0,800

0,500

12

0,800

0,200

0,800

0,100

0,800

0,400

13

0,800

0,150

0,800

0,150

0,800

0,300

14

0,800

0,100

0,800

0,200

0,800

0,200

15

0,800

0,050

0,800

0,250

0,800

0,100

16

0,700

0,350

0,800

0,300

0,700

0,700

17

0,700

0,300

0,800

0,350

0,700

0,600

18

0,700

0,250

0,850

0,050

0,700

0,500

19

0,700

0,200

0,850

0,100

0,700

0,400

20

0,700

0,150

0,850

0,150

0,700

0,300

21

0,700

0,100

0,850

0,200

0,700

0,200

22

0,600

0,300

0,850

0,250

0,600

0,600

23

0,600

0,250

0,850

0,300

0,600

0,500

24

0,600

0,200

0,850

0,350

0,600

0,400

25

0,600

0,100

0,850

0,400

0,600

0,100

2. Произвести запись параметров заданных якорь-цепей:

 

Исходные параметры якорь-цепей    Табл.3.2

№ варианта

№ якорь-цепи

а , м

в , м

3. Произвести предварительную подготовку выбранных якорь-цепей и необходимое оборудование. Для этого:

3.1 – с помощью штангенциркуля произвести замер калибра К мм, каждой якорь-цепи. Для корректности эксперимента замер произвести в нескольких точках (не менее 6-ти) по длине якорь-цепи. Определить среднее значение калибра К=ΣКі/n, где n-число точек замера. Данные замера и вычисления внести в соответствующие графы (3), (4) табл. 3.3.

3.2 – с помощью линейки произвести замер длины l , м, якорь-цепей. Замеры произвести по крайним точкам концевых звеньев максимально растянутой якорь-цепи. Данные замера внести в соответствующую графу (5) табл. 3.3.

3.3 – произвести юстировку динамометра (установить стрелку на «0» шкалы с помощью арретира). Произвести динамометром замер веса Q, кг якорь-цепи. Определить погонную массу якорь-цепи q = Q/l, кг/м. Данные замера и вычисления внести в соответствующие графы (6) и (7) табл. 3.3.

4. Основное исследование. Для чего (см. рис. 3.1 , 3.2) :

  1.  – якорную цепь 10 заданного калибра К подвесить на стенде 9 так, чтобы верхний (клюзовый) конец якорь-цепи посредством динамометра 8 был закреплен на верхней точке 7 стенда, имитирующей клюзовую точку К. Второй , нижний (якорный) конец якорь-цепи через динамометр 11 подвесить на крючок 12 к штанге в точке Я, имитирующей якорную точку крепления якорь-цепи к якорю. С помощью рукоятки 3 и штанги 5 установить заданные параметры а и в (согласно варианта табл.3.1 из табл.3.2) точек К и Я. С помощью рукоятки 3 зафиксировать данное положение точек.

Результаты эксперимента

Табл.3.3

№ пп. (вариант якорь-цепи)

1

1

2

3

Предварительная подготовка якорь-цепи

№ замера

2

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

Калибр К, мм n=1-6

Кі (замер)

3

Кср= 

4

Длина l,  м (замер)

5

Вес Q, кг (замер)

6

Погонный вес q, кг/м (6)/(5)

7

О с н о в н о е   и с с л е д о в а н и е

 а, м (задано по табл.3.1)

8

в, м задано по табл.3.1)

9

Zправ м (замер)

10

Zлев, м (замер)

11

lправ, м (замер)

12

lлев, м (замер)

13

Тм(прав), кг, по формуле (1)

14

Тм(лев), кг, по формуле (2)

15

Т(Q)прав, кг, по формуле (3)

16

Т(Q)лев, кг, по формуле (4)

17

αправ, град,  по формуле (5)

18

αлев, град, по формуле (6)

19

Факти-ческие значения

Т(э), α(э) 

(замер)

Тправ(э)= Тклюз,  кг

20

Тлев(э) = Тякор, кг

21

αправ(э) =αклюз , град 

22

αлев(э) = αякор, град 

23

Погрешность эксперимента

ΔТправ= [(16)-(20)] ·100% /(16) , %

24

ΔТлев= [(17)-(21)]·100%  /(17) , %

25

Δαправ= 

[(18)-(22)]·100% /(18) , %  

26

Δαлев =

[(19)-(23)]·100% /(19) , %

27

  1.  – На подвешенной якорь-цепи с заданными расстояниями а и в подвески её концов определить точку М якорь-цепи, находящуюся  ниже всех остальных. С помощью линейки 1 произвести замер координат Ζправ и Ζлев точек подвеса К и Я относительно точки М.

Замеры внести в соответствующие графы (10), (11) табл.3.3.

  1.  – Отметить мелком точку М, снять якорь-цепь с нижнего динамометра 11 , измерить линейкой 1 длину участков якорь-цепи, расположенных по обе стороны от точки М. Пусть длина участка, расположенного слева от точки М, будет обозначена lлев , м , а участка справа – lправ, м. Данные замеров внести в соответствующие графы (12), (13) табл.3.3.

  1.   – Вычислить расчетные усилия Тм , кг по обе стороны самой низшей точки М натяжения якорь-цепи по формулам [2]:

  ( 1 )

  ( 2 )

где     Zправ, Zлев , м – высота возвышения точек подвеса правой и левой ветвей       якорь-цепи над точкой М.

Полученные вычисления внести в соответствующие графы (14), (15) табл.3.3.

  1.   –  Вычислить расчетные усилия Т(Q), кг, соответственно в точках правой К (клюзовой) и левой Я (якорной) подвеса якорь-цепи по формулам [2]:

  ( 3 )

    ( 4 )

Данные вычислений внести в соответствующие графы (16), (17) табл.3.3.

  1.   – С помощью клюзового 8 и якорного 11 динамометров замерить фактические натяжения Тправ(э) и Тлев(э), кг в соответствующих точках К и Я якорь-цепи. Данные замера и вычисления внести в соответствующие графы (20), (21) табл.3.3.
    1.   – Вычислить расчетные углы αправ, αлев , град., наклона  к горизонту касательных, проведенных в точках К и Я подвеса якорь-цепи   по формулам [2]:
  •  угол в правой (клюзовой) точке К подвеса равен :

αправ= аrccos , град   ( 5 )

- угол в левой (якорной) точке Я подвеса равен:

      αлев= аrccos , град     ( 6 )

Данные расчета  внести в соответствующие графы (18), (19) табл.3.3.

  1.   – С помощью транспортира 2 замерить фактические значения углов αправ(э), αлев(э) ,. Внести фактические значения α в соответствующие графы (22), (23) табл 3.3.

 

Обработка результатов эксперимента:

 Измеренные и вычисленные параметры обрабатываются по формулам

(1) – (6) и вносятся в соответствующие графы табл.3.3.

Погрешность эксперимента

Определить отличие в расчетных и измеренных значениях Т(Q) и α (погрешность эксперимента) в процентах по формулам:

Δ Тправ=    ( 7 )

Δ Тлев=    ( 8 )

Δ αправ=              ( 9 )

Δ αлев=    ( 10)

Значения погрешностей внести в соответствующие графы

(24)-(27) табл.3.3.

Выводы:

  1.  Усилия растяжения Т(Q)  в точках К (клюзовой) и Я (якорной) крепления свободно подвешенной (не касающейся грунта) якорь-цепи от собственного веса Q находятся в сложной зависимости от угла  α её провисания в этих точках, которую можно описать уравнением цепной линии (5),(6).
  2.  Усилия растяжения Т(Q)  необходимо учитывать (перераспределять между клюзовой К и якорной Я точками крепления) при якорной стоянке судна путем изменения (уменьшения) угла α её провисания в точках с помощью вытравливания дополнительных смычек якорь-цепи в воду до касания якорь-цепи о грунт и образования в самой низшей её точке М горизонтального участка, лежащего на грунте.

Литература:

  1.  Зайцев В.В. и др. Проектирование общесудовых устройств. Николаев. ИЛИОН. 2004 -270 с.

  1.  Александров М.Н. и др. Судовые устройства. Справочник. Ленинград . Судостроение. 1987 -656с.

Работу выполнил(а):

Студент(ка) группы___________

«___»_________200    г.              _______________________________________

Фамилия, имя, отчество

Разработка: Зинкин В.Н.

Компьютерная верстка: Стоян В.А., Бенцало О.В.

 Примечание: для увеличения держащей силы системы якорь – якорь-цепь на практике вытравливается дополнительная длина якорь-цепи, которая образует горизонтальный участок (лежащий на грунте)  в нижней точке её провисания, тем самым значительно увеличивая держащую силу системы за счет силы трения покоя цепи о грунт (и её веса Q). Кроме того, горизонтальный участок якорь-цепи играет основную и главную роль в «игре» – амортизации усилия Т(Rволн) её рывков при стоянке судна на волнении.


Таким образом, в основе работы якорного устройства, как устройства крепления судна за донный грунт водоема, используются общеизвестные физические явления, такие как:


1 -гибкость (шарнирность) тяжелой нити (якорь-цепи), воспринимающей только растягиваю-щие усилия, описываемые уравнением цепной линии;


2 -сила сцепления якоря с грунтом, обусловленная глубиной зарывания лап якоря в грунт;


3 -сила трения покоя - сила сцепления тяжелой нити с грунтом под действием её собственной силы тяжести Q (якорь-цепи).


В данной лабораторной работе рассматривается только первое физическое явление.

 Примечание: в табл.3.1 задано 25х3=75 вариантов исследования, из них 3 варианта якорь-цепи и 25 вариан-тов координат а и в каждой из них. Например, вариант 1.23 означает: первая цифра 1 – № якорь-цепи, вторая цифра после точки, 23 - № варианта расстояний (№ по списку): а=0.600 м, в=0.250 м   и   т.д.

 Примечание: штанга 5 имеет возможность линейного и углового перемещения относительно струбцины 4 и её фиксации с помощью рукоятки 3 в заданном положении, что позволяет закреплять нижний якорный конец якорь-цепи в любой заданной точке стенда. Точками закрепления К и Я якорь-цепи считаются точки соединения динамометров 8 и 11 с якорь-цепью. Расстояния а и в между точками закрепления якорь-цепи должны выдерживаться с точностью ± 0.005 м (± 5 мм).


EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

15780. Индекс товарооборота фактических ценах 14.99 KB
  Индекс товарооборота фактических ценах Общий индекс товарооборота стоимости реализованных товаров: где p1q1 – товарооборот отчётного периода; р0q0 – товарооборот базисного периода. Знак означает что суммируются стоимости различных товаров. Количество с
15781. Индекс физического объёма товарооборота 15.02 KB
  Индекс физического объёма товарооборота также может быть построен по двум схемам: В этих индексах индексируемой величиной является количество товара q а весами цены базисного p0 или отчётного p1 периода. Индекс физического объёма това
15782. Индексы переменного состава, постоянного состава, структурных сдвигов 14.19 KB
  Индексы переменного состава постоянного состава структурных сдвигов. Индекс переменного состава показывает динамику среднего показателя как за счет применения индексируемой величины так и за счет изменения весов по которым взвешивается средняя т.е. влияние обоих ...
15783. Индивидуальные индексы и их свойства 39.33 KB
  Индивидуальные индексы и их свойства. Индивидуальные индексы рассчитываются для однородных совокупностей. Они представляют собой отношение уровня экономического явления в отчётном периоде к его уровню в базисном периоде. В общем виде этот индекс может быть записан в в...
15784. Компоненты уровня ряда динамики 11.64 KB
  Компоненты уровня ряда динамики. Ряд динамики может быть подвержен влиянию факторов эволюционного и осциллятивного характера а также находиться под влиянием факторов разного воздействия. Такие изменения динамического ряда называются тенденцией развития или трендо
15785. Анализ транспортной сети и грузоперевозок 156.5 KB
  Главной задачей транспорта является своевременное, качественное и полное удовлетворение потребностей народного хозяйства и населения в перевозках. Эффективность организации транспортного процесса и управление им
15786. Мода и медиана. Способы вычисления 30.08 KB
  Мода и медиана. Способы вычисления При изучении вариации применяются и такие характеристики вариационного ряда которые описывают количественную его структуру. Таковы медиана и мода. Медиана – это значение признака делящее пополам ранжированный упорядоченный вари
15787. Основные тенденции(тренда) ряда динамики и методы её распределения 17.77 KB
  Основные тенденциитренда ряда динамики и методы её выявления. Закономерности изменения явления во времени не проявляются в каждом конкретном уровне ряда. Это связано с действием на явления общих и случайных причин. Поэтому в статистике для выявления закономерности ил...
15788. Относительные величины и их виды 15.04 KB
  Относительные величины и их виды. Относительная величина – мера количественного соотношения статистических показателей которая отражает относительные размеры социальноэкономических явлений. Относительная величина получается как частное от деления одной величин