14340

Якорное устройство судна. Экспериментальная оценка уравнения цепной линии

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа №3 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 г...

Русский

2013-06-03

341 KB

2 чел.

Лабораторная работа №3

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, прсипособлений для крепления (стопор) и аварийной отдачи (жвакагалс с глаголь-гаком и т.п.) и служащие для закрепления судна за донный грунт водоема как при рабочих так и аваприйных его стоянках на открытых акваториях, защищенных и не защищенных береговыми сосоружениями.

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 Т(Q) (звеньев), способная воспринимать только растягивающее усилие, возникающие под действием её собственных сил веса Q , внешних сил натяжения Т(Q) (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 собственного веса Q в характерных точках цепной линии – клюзовой К и якорной Я точках крепления цепи (соответственно на клюзе и якоре) и самой низшей точки цепи, точке М. (см. рис 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 Σ= 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 и т.п.) и надежность самой якорной стоянки судна [1].

Примечание: для увеличения держащей силы системы якорь – якорь-цепь на практике вытравливается дополнительная длина якорь-цепи, которая образует горизонтальный участок в нижней точке её провисания (лежащий на грунте), 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 растягивающие 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 собственной силы тяжести Q нити (якорь-цепи).

Примечание: в данной лабораторной работе рассматривается только первое физическое явление.

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, 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 якорь-цепи;
  •  транспортир для замера углов αправ , αлев провисания якорь-цепи в точках её крепления;
  •  мелок для отметки самой низшей точки М якорь-цепи.

                         1     2                          3          4   5 6            7  8

              

                          12   11                                                           10                      9

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 верхний (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, м; αправ , αлев, град – углы провисания (углы между касательными к якорь-цепи в точках К и Я и горизонталью) соотвотственно правой (клюзовой) и левой (якорной) ветвей якорь-цепи; Q, кг – масса (вес) якорь-цепи; ТМ(прав), ТМ(лев), Т прав (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

По горизонтали а

По вертикали в

По горизонтали а

По вертикали в

По горизонтали а

По вертикали в,м

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

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

  1.  Призвести запись параметров заданных якорь-цепей:
  2.  №№

якорь-цепь № 1

якорь-цепь № 2

якорь-цепь № 3

  1.  Произвести предварительную подготовку выбранной якорь-цепи и необходимое оборудование. Для этого:
    1.   – с помощью штангенциркуля произвести замер калибра К мм, 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.3.2.
    2.  – с помощью линейки произвести замер длины l , м, якорь-цепи. Замеры произвести по крайним точкам концевых звеньев максимально растянутой якорь-цепи. Данные замера внести в соответствующую графу (5) табл.3.2.

Результаты эксперимента    

Табл.3.2

№ пп. (вариант цепи)

1

1

2

3

Предварительная подготовка

№ замера

2

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

Калибр, мм

Кі (замер)

3

К, 

4

Длина l

(замер)

5

Вес Q, (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, (задано по табл.3.1)

8

в, 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

Тм(прав), кг по формуле (3)

16

Тм(лев), кг по формуле (4)

17

αправ, град 5поформуле (5)

18

αлев, град 5поформуле (6)

19

Факти-ческие значения

Т(э), α(э)

Тправ(э), кг = Ткл  (замер)

20

Тлев(э), кг = Тяк 

(замер)

21

αправ(э), кг = αкл  (замер)

22

αлев(э), кг = αяк 

(замер)

23

ΔТ, % (16)-(20)/(20)·100% прав

24

ΔТ, % (17)-(21)/(20) ·100%  лев

25

Δαправ, % (18)-(22)/(18) )·100%

26

Δαлев, % (19)-(23)/(19) )·100%

27

  1.  - произвести юстировку (установку стрелки на «0» шкалы с помощью арретира) динамометра. С помощью динамометра произвести 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), (7) табл.3.2.

  1.  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) точек К и Я. С помощью рукоятки 3 зафиксировать данное положение точек.

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 между точками закрепления якорь-цепи должно выдерживаться с точностью ± 0.005 м (± 5 мм).

  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.3.2.

  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.3.2.

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

  ( 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.3.2.

  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.3.2.

  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 вычисления внести в соответствующие графы (20), (21) табл.3.2.
    1.   – Вычислить расчетные углы αправ, αлев , град наклона к горизонту касательных, установленных в точках К и Я подвеса якорь-цепи, определяются  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.3.2.

  1.   – С помощью транспортира 2 замерить фактические значения углов αправ(э), αлев(э) ,. Внести фактические значения α в соответствующие графы (22), (23) табл 3.2.

 

Обработка результатов эксперимента:

 Измеренные и вычисленные параметры обрабатываются по формулам (1) – (6) и вносятся в табл.3.2.

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.3.2.

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 самой низшей её точке М горизонтального участка.

Литература:

  1.  Зайцев В.В. и др. Проектирование общесудовых устройств. Николаев. ИЛИОН. 2004 -270 с.
  2.  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


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

16990. Рішення задач матричної і векторної алгебри в Maple 356.5 KB
  Практична робота №30. Тема: Рішення задач матричної і векторної алгебри в Maple. Мета: Навчитися обчислювати визначників вирішувати системи лінійних рівнянь методом Крамера і матричним способом а також знаходити значення матричного многочлена використовуючи можлив
16991. Диференціальне і інтегральне числення функцій одного і декількох змінних в Maple 430.5 KB
  Практична робота №31. Тема: Диференціальне і інтегральне числення функцій одного і декількох змінних в Maple. Мета: Навчитися обчислювати межі часткову суму послідовностей похідні функцій і інтеграли в середовищі Maple. Обладнання: ПК зі встановленим математичним па
16992. Команди MS-DOS: cls, date, time, copy, del, dir, find, mem, mkdir, label, rd 72.5 KB
  Практична робота №1 Тема: Команди MSDOS: cls date time copy del dir find mem mkdir label rd. Мета: навчитися використовувати основні команди MSDOS при роботі з ОС. Устаткування: ПК. Операційна система MSDOS та Windows. Правила ТБ. Методичні рекомендації. Індивідуальне завда
16993. Профілі обладнання.Створення командних файлів 78.5 KB
  речка Ю.Г. Варіант 4 ВПЗ 2ПМС07 Практична робота №3 Тема: Профілі обладнання.Створення командних файлів. Мета: Навчитися створювати профілі обладнання та тривіальні команд
16994. Створення командних файлів. Створення файлів config.sys, autoexec.bat 36.5 KB
  Практична робота №3 Тема: Створення командних файлів. Створення файлів config.sys autoexec.bat. Мета: Навчитися створювати тривіальні командні файли; створювати файли config.sys autoexec.bat. Устаткування: ПК. Операційна система MSDOS та Windows. Хід роботи I. Слідуючи вказівкам напиш...
16995. Робота з файловими менеджерами для ОС MS-DOS. Настройка і створення меню користувача 294.5 KB
  Практична робота №2 Тема: Робота з файловими менеджерами для ОС MSDOS. Настройка і створення меню користувача. Мета: Навчитися працювати з каталогами файлами а також створювати і настроювати меню користувача. Устаткування: ПК. Файловий менеджер NC операційна система M...
16996. Робота з вікнами. Створення папок, текстових файлів. Копіювання, переміщення, перейменування, відновлення файлів. Створення ярликів 5.35 MB
  Практична робота №4 Тема: Робота з вікнами. Створення папок текстових файлів. Копіювання переміщення перейменування відновлення файлів. Створення ярликів. Мета: Навчитися виконувати основні операції над файлами. Устаткування: ПК. Операційна система Windows. ...
16997. Поняття і сутність менеджменту 6.35 MB
  ТЕМА 1. Поняття і сутність менеджменту Еволюція поглядів на сутність менеджменту Організація як об’єкт управління. Менеджмент як вид професійної діяльності. Для позначення діяльності з координації роботи людей на практиці використовують різні по...