影響船舶航向穩(wěn)定性的因素及對策*

董 蕾 鐘 偉

(海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室 舟山 316000)

1 引言

船舶的航向穩(wěn)定性是船舶操縱性的基本內(nèi)容之一,航向穩(wěn)定性的高低,直接影響到船舶保向性的好壞,事關(guān)船舶航行的經(jīng)濟(jì)與安全,分析研究影響船舶航向穩(wěn)定性的因素,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 航向穩(wěn)定性的內(nèi)涵

船舶的航向穩(wěn)定性是指:船舶作直線航行時(shí)受外界擾動,當(dāng)擾動去除后能否回到原航向的性能。對于水面船舶而言,根據(jù)運(yùn)動參數(shù)的不同,船舶的航向穩(wěn)定性分為直線運(yùn)動穩(wěn)定性、方向穩(wěn)定性和位置穩(wěn)定性三種[1]。

2.1 直線運(yùn)動穩(wěn)定性

如圖1(a)所示,當(dāng)受擾后,最后運(yùn)動平衡狀態(tài)仍為勻速直線運(yùn)動,但其運(yùn)動方向異于初始運(yùn)動方向,只是從一種直線運(yùn)動回復(fù)到另一種直線運(yùn)動,故稱為“直線運(yùn)動穩(wěn)定性”。

2.2 方向穩(wěn)定性

如圖1(b)所示,最后運(yùn)動平衡狀態(tài)不僅為勻速直線運(yùn)動,且運(yùn)動方向與初始運(yùn)動方向相同,僅與初始運(yùn)動軌跡間存在一橫向偏離,稱為“方向穩(wěn)定性”。

2.3 位置穩(wěn)定性

如圖1(c)所示,最后運(yùn)動平衡狀態(tài)與初始運(yùn)動方向相同,且運(yùn)動軌跡間為無偏離的勻速直線運(yùn)動,稱之為“位置穩(wěn)定性”。

當(dāng)然也可能船舶受擾后,在各非線性因素作用下,最終將進(jìn)入一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動,對這種情況,我們稱原直線勻速運(yùn)動是沒有穩(wěn)定性的。

圖1 穩(wěn)定性示意圖

由以上三種情況可見:具有位置穩(wěn)定性的船舶一定同時(shí)具有直線穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性;具有方向穩(wěn)定性的船舶一定同時(shí)具有直線運(yùn)動穩(wěn)定性。在船舶航向穩(wěn)定性研究中,也按是否操舵(即是否有控制),將穩(wěn)定性分為自動穩(wěn)定性(或船舶固有穩(wěn)定性)和控制穩(wěn)定性。前者主要取決于船體幾何形狀,是固有的,而后者由于存在舵的控制作用,所以應(yīng)取決于整個(gè)閉合回路的特性,包括船體固有特性、人和機(jī)構(gòu)的特性。顯然,固有穩(wěn)定性越好的船,控制穩(wěn)定性也越好。

3 航向穩(wěn)定性與保向性的關(guān)系

航向穩(wěn)定性并非船舶保向性,兩者既有區(qū)別又有聯(lián)系。船舶保向性是指船舶在受到外力干擾影響時(shí),在舵、車等工具的控制下保持定向航行的能力。當(dāng)航向穩(wěn)定性差時(shí),駕駛?cè)藛T將會感覺到運(yùn)用舵、車控制船舶定向航行很費(fèi)勁,即保向很困難;當(dāng)航向穩(wěn)定性好時(shí),保向很省事,因此航向穩(wěn)定性好則保向性好。此外影響保向性的因素還有:舵角、舵機(jī)和羅經(jīng)性能、舵工操舵技能。一艘航向穩(wěn)定性好的船舶保向性也好,直線航行中即使很少操舵也能較好地保向,而操舵改向時(shí)又能較快地應(yīng)舵,轉(zhuǎn)向中正舵也能較快地把航向穩(wěn)定下來。航向穩(wěn)定性能力差的船舶在風(fēng)、浪、流的干擾下,不僅極易偏向且偏向幅度較大、進(jìn)而引起大幅度偏位,偏離計(jì)劃船位和航線,出現(xiàn)擱淺、觸礁和碰撞危險(xiǎn),而且必須通過頻繁操舵來保向,從而使航跡呈蛇形彎曲,這既增加了操舵阻力又增加了航程,從而導(dǎo)致營運(yùn)不經(jīng)濟(jì)[2]。

4 影響船舶航向穩(wěn)定性的因素

式中:L為船長,m;v為船速,m/s。T′由于綜合考慮了船長與船速的影響,故可直接用來比較不同船舶航向穩(wěn)定性的優(yōu)劣;反過來說,當(dāng)兩船的 T相等時(shí),要使其航向穩(wěn)定性也相同,就必須使其船長和船速也相同。對同一艘船而言,在船長L、船速V一定的前提下,影響T的因素即是影響T′的因素,且 T與 T′同升同降,影響 T、T′的因素即是影響航向穩(wěn)定能力的因素。依據(jù)式(1),T是船舶轉(zhuǎn)動慣量與船舶轉(zhuǎn)頭阻矩系數(shù)之比,也即T的大小完全取決于I與b[4]。

4.1 船型

船型可用方形系數(shù)Cb表示。Cb是決定船舶水中轉(zhuǎn)頭阻矩大小的重要因素,Cb大,即水線以下船體肥大,船舶轉(zhuǎn)動時(shí)帶動的水多,附加慣量 Δ I大、I大,由式(1)可知 T大。所以淺吃水的寬體船、油船等Cb≈0.8的肥大型船舶,航向穩(wěn)定性較差,在小舵角保向航行中,船首的偏擺角度往往較大,并給人以穩(wěn)不住的感覺;而長寬比大、瘦削的Cb小的船,則具有較好的航向穩(wěn)定性。

4.2 船體浸水側(cè)面積分布情況

浸水側(cè)面積在尾部分布較多者,如船尾有鈍材的船、首部削進(jìn)的船和尾傾船,重心偏后,于是I較小,由式(1)可知T較小,航向穩(wěn)定性較好;浸水側(cè)面積在首部分布較多者,如船首有球鼻首的船、首傾船,航向穩(wěn)定性較差。

4.3 排水量D與吃水d

輕載船重量小,故I較小,由式(1)可知T較小,航向穩(wěn)定性較好;滿載船重量大,于是I較大,由式(1)可知 T較大,航向穩(wěn)定性較差(受風(fēng)時(shí)另當(dāng)別論)。

4.4 水深H

在淺區(qū)(H小),I增加,然而轉(zhuǎn)頭阻矩系數(shù)b增加得更多,結(jié)果使得T=I/b變小,所以航向穩(wěn)定性因水深變淺反而得到提高;從實(shí)踐角度說,在淺區(qū)由于水動力較大,船在外力干擾下航向偏離的幅度有限。

4.5 船速

對于同一艘船而言,隨著船速的提高,定向直航的慣性增大從而抵御外力干擾的能力增強(qiáng),航向穩(wěn)定性變好。從理論上分析,由于定向直航的慣性增大使得偏向上的慣性減弱(即 I減小),由式(1)可知T較小,航向穩(wěn)定性變好。

5 彌補(bǔ)航向穩(wěn)定性不足的措施

5.1 造船方面

1)增大舵葉面積。一方面當(dāng)舵放中間(正舵)時(shí),相當(dāng)于加長了船尾、減小了方型系數(shù),從而使 T變小、航向穩(wěn)定性變好;另一方面當(dāng)操舵時(shí)因舵力矩系數(shù)a增大,轉(zhuǎn)首性變好,再旋回性指數(shù)增大,旋回性變好。通常 T、K不能同時(shí)變好,但適當(dāng)增大舵葉面積恰能使T、K 同時(shí)變好,因此在造船時(shí),適當(dāng)增大舵葉面積是改善船舶操縱能力包括航向穩(wěn)定能力的絕佳措施[5]。

2)適當(dāng)把后部做肥些以增大后部浸水面積,從而使航向穩(wěn)定性變好。營運(yùn)中若需要彌補(bǔ)旋回性的不足,就在前部多裝些貨在后部少裝些貨。

3)根據(jù)船舶的不同用途打造不同的船型。若船舶被用作長時(shí)間定向航行,應(yīng)考慮打造成瘦長型;若船舶經(jīng)常在狹水道頻繁改向機(jī)動航行,應(yīng)考慮打造成粗短型。

4)消除或減小操舵羅經(jīng)的誤差、提高其準(zhǔn)確度。選用舵效來得快、回得也快的電動液壓舵機(jī)并注意改善舵機(jī)的性能。

5.2 航運(yùn)方面

1)Cb大、浸水側(cè)面積在首部分布較多、排水量D或吃水d大的船,航向穩(wěn)定性“先天不足”,因此在裝載時(shí)宜留有適當(dāng)?shù)奈部v傾,使吃水差(t=dF-dA)處于-0.2m～-0.6m的范圍,并要密切注意船體兩側(cè)的對稱性。

2)舵工要不斷提高操舵技能,一要及早發(fā)現(xiàn)船舶偏航并及時(shí)用舵、車保向;二要預(yù)測外力干擾的大小和方向,以提前壓舵抵消之;船舶駛經(jīng)水底有坡度的淺區(qū)時(shí)會出現(xiàn)航向不靈的“癥狀”,故宜慢速行駛以減輕癥狀和儲備舵力,必要時(shí)運(yùn)用主機(jī)突進(jìn)助舵以糾正首偏;與他船對駛相遇時(shí),為避免船間效應(yīng)產(chǎn)生的偏向作用,盡量使船間距不低于兩船船長之和,并采取低速;為避免岸推船首岸吸船尾的效應(yīng),船在近岸航行時(shí)應(yīng)保持岸距、慢速行駛[7]。

3)空船壓載航行時(shí),尾縱傾較大且吃水較淺,故航向穩(wěn)定性和舵效很好,但滿載船航行時(shí),尾縱傾大幅度減小且吃水較深,故航向穩(wěn)定性和舵效大大下降。對此,航行中宜適當(dāng)保持較高的速度,糾偏時(shí)使用較大的舵角。

航行中駕駛?cè)藛T應(yīng)密切關(guān)注、經(jīng)常查核本船的航向穩(wěn)定性,如發(fā)現(xiàn)本船的航向穩(wěn)定性不足,應(yīng)盡快查找原因并采取彌補(bǔ)對策。

[1]趙月林.船舶操縱[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2000

[2]劉元豐,范曉飚.船舶操縱[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2006

[3]劉雪梅.船舶原理[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2007

[4]陳進(jìn)濤.船舶航向穩(wěn)定能力研究,2009

[5]蔡厚平.船舶設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2007

[6]盛振邦.船舶靜力學(xué)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1991

[7]王國強(qiáng).船舶推進(jìn)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985

[8]張樂文.船舶操縱與搖擺[M].武漢:武漢水運(yùn)工程學(xué)院,1985

[9]邵世明.船舶阻力[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995