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船舶操纵绪论所谓船舶操纵（Shiphandling)是指船舶的驾引人员利用船舶的操纵设备即车、舵、锚、缆以及拖船等来抵御外界环境条件包括风、流、浪、浅窄水、岸壁等的影响，以保持或改变船舶的运动状态所进行的操纵，包括分析、判断、指挥和实施等。学习目的：1、全面掌握船舶的操纵性能、船舶操纵性指数的含义及其在操船中的应用2、全面了解船舶所配备的操纵设备的基本性能，熟悉他们在操船中的具体作用3、掌握外界环境条件对操船的影响，在实际操船中趋利避害加以运用或控制4、掌握在各种环境条件下的操船方法第一章船舶操纵性能概念：船舶操纵性能是指船舶对驾引人员实施操纵的响应能力分类：船舶操纵性能可分为固有操纵性和控制操纵性1.固有操纵性：包括追随性、定长旋回性、航向稳定性2.控制操纵性：包括改向性、旋回性、保向性第一节船舶的旋回性概述：旋回性是指定速直航的船舶操某一大的舵角后进入定常旋回的运动性能。旋回性是船舶操纵性当中极其重要的一种性能！一、船舶旋回的运动过程1、第一阶段（转舵阶段）船舶向一舷操舵后，保持或近乎保持其直进速度，同时开始进入基本沿原航向前进而船尾外移同时少量的向操舵一舷横倾的初始旋回阶段—反移内倾。2、第二阶段（过渡阶段）操舵后随着船舶横移速度的和漂角的增大，船舶的运动逐渐偏离首尾面而向外转动，进入内倾消失，外倾出现并逐渐增大的加速旋回阶段—正移外倾。3、第三阶段（定长旋回）随着旋回阻尼力矩的增大，当船舶所受的舵力转船力矩N(a)、漂角水动力转船力矩N(B)和阻尼力矩N(r)相平衡时，船舶的旋回角加速度变为零，船舶的旋回角速度达到最大值并稳定于该值，船舶将进入稳定旋回阶段。—定常旋回。二、旋回圈的大小及其要素概念：定速直航(一般为全速)的船舶操一定舵角(一般为满舵)后，其重心所描绘的轨迹叫做旋回圈(turningcircle)。1．表征旋回圈大小的几何要素1)进距(advance)进距也称纵距，是指从操舵开始到船舶的航向转过任一角度时重心所移动的纵向距离。通常，旋回资料中所说的纵距，特指当航向转过90°时的进距，并以Ad表示之，它大约为旋回初径的0．6～1．2倍。2)横距(transfer)横距是指从操舵开始到船舶的航向转过任一角度时船舶重心所移动的横向距离。通常，旋回资料中所说的横距，特指当航向转过90°时的横距，并以Tr表示之，它大约为旋回初径的一半。3)旋回初径(tacticaldiameter)旋回初径是指从操舵开始到船舶的航向转过180°时重心所移动的横向距离，并以DT表示之。它大约为3～6倍的船长。4)旋回直径(finaldiameter)旋回直径是指船舶作定常旋回时重心轨迹圆的直径，亦称旋回终径，并以D表示之，它大约为旋回初径的0．9～1．2倍。5)滞距(reach)亦称心距。正常旋回时，船舶旋回直径的中心O总较操舵时船舶重心位置更偏于前方。滞距是该中心O的纵距，并以Re代表之，大约为1～2倍船长，它表示操舵后到船舶进入旋回的“滞后距离”，也是衡量船舶舵效的标准之一。6)反移量(kick)反移量亦称偏距，是指船舶重心在旋回初始阶段向操舵相反一舷横移的距离。通常，该值极小，其最大量在满载旋回时仅为船长的1％左右。但操船中应注意的是，船尾的反移量却不容忽视，其最大量约为船长的1／5～1／10，约出现在操舵后船舶的转头角达一个罗经点左右的时刻。反移量的大小与船速、舵角、操舵速度、排水状态及船型等因素有关，船速、舵角越大，反移量越大。2、描述船舶旋回运动状态的运动要素1)漂角(driftangle)船舶首尾线上某一点的线速度与船舶首尾面的交角叫做漂角，如左图所示。船舶在首尾线上不同点的漂角是不同的，在船尾处，由于其横移速度最大，因此漂角也最大。但通常所说的漂角是指船舶重心处的线速度Vt与船舶首尾面的交角，也就是船首向与重心G点处旋回圈切线方向的夹角，用B表示之。一般船舶的漂角大约在3°～15°之间。2)转心(pivotingpoint)及其位置旋回中的船舶可视为一方面船舶以一定的速度前进，同时绕通过某一点的竖轴而旋转的运动的叠加，这一点就是转心，通常以P代表之。船舶操舵旋回时，在旋回的初始阶段，转心约在重心稍前处，以后随船舶旋回不断加快，转心随着旋回中的漂角的增大而逐渐向船首方向移动；当船舶进入定常旋回阶段即船舶旋回中的漂角保持不变时，转心P逐渐稳定于某一点，对于不同船舶，该点的位置大约在离船首柱后1／3～1／5船长处；船处于后退中，转心位置则在船尾附近。对于不同船舶而言，旋回性能越好、旋回中漂角B越大的船舶，其旋回时的转心越靠近船首。3)旋回中的降速船舶在旋回中，主要由于船体斜航(存在漂角)时阻力增加，以及舵阻力增加和推进效率降低等原因，将会出现降速现象。一般船舶旋回中的降速幅度大约为旋回操舵前船舶速度的25％～50％，而旋回性能很好的超大型油船在旋回中的降速幅度最大可达到原航速的65％。4)旋回中船舶出现的横倾(List)旋回中船舶出现的横倾是一个应予注意的不安全因素。船舶在大风浪中大角度转向或掉头时，如船舶在波浪中横摇的相位与旋回中外倾角的相位一致，则船舶将有倾覆的危险，这是操船中应予避免的一个重要问题。另外值得注意的是，由于舵力所产生的内倾力矩有利于抑制船舶的外倾角，因此当船舶在旋回中一旦产生较大的外倾角时，切忌急速回舵或操相反舷舵，否则会进一步增大外倾角，威胁船舶的安全。三、影响旋回圈大小的因素1．方形系数Cb(blockcoefficient)方形系数较低的瘦形高速船(Cb≈0．6)较方形系数较高的肥形船(Cb≈0．8)的旋回性能差得多，即船舶的方形系数越大，船舶的旋回性越好，旋回圈越小。2．船体水线下侧面积形状及分布就整体而言，船首部分分布面积较大如有球鼻首者或船尾比较瘦削的船舶，旋回中的阻尼力短小，旋回性较好，旋回圈较小，但航向稳定性较差；而船尾部分分布面积较大者如船尾有钝材或船首比较削进(cutup)的船舶，旋回中的阻尼力矩比较大，旋回性较差，旋回圈较大，但航向稳定性较好4．操舵时间操舵时间主要对船舶的进距影响较大，进距随操舵时间的增加而增加，而对横距和旋回初径的影响不大，旋回直径则不受其影响。5．舵面积比舵面积比(rudderarearatio)是指舵面积与船体浸水侧面积(Lpp×d)的比值。增加舵面积将会使舵的转船力矩增大，因而提高船舶的旋回性，旋回圈变小。但增加舵面积的同时又增加了旋回阻尼力矩，当舵面积超过一定值后，旋回性就不能提高。也就是说，就一定船型的船舶而言，舵面积比的大小在降低旋回初径方面存在一个最佳值。6．船速一般说来，船速对船舶旋回所需时间的长短具有明显的影响，但对旋回初径大小的影响却呈现较为复杂的情况。如图减速旋回与加速旋回7．吃水若纵倾状态相同，吃水增加时，旋回进距增大，横距和旋回初径也将有所增加。8．吃水差有吃水差和平吃水相比较，相当于较大程度地改变了船舶水线下船体侧面积的分布状态，因而对船舶旋回性能带来明显的影响。尾倾增大，旋回圈也将增大。9．横倾船体存在横倾时，左右浸水面积不同，两侧所受的水动压力也不相同，改变了左右舷各种作用力的对称性。但总的来讲，横倾对旋回圈的影响并不大。10.浅水影响在浅水中的旋回圈明显增大。当水深吃水比小于2时，旋回圈有所增大(特别是对高速船而言)；当水深吃水比小于1.5时，旋回圈明显增大；当水深吃水比小于1.2时，旋回圈急剧增大。11．螺旋桨的转动方向由于受螺旋桨横向力的影响，船舶向左或向右旋回时的旋回圈的大小将有所不同。对于右旋固定螺距螺旋桨单车船而言，在其他条件相同的情况下，向左旋回时的旋回初径要比向右旋回时的旋回初径要小一些。但对于超大型船舶而言，这一差别很小。另外，船体的污底、风、流的作用都将对船舶旋回圈的大小产生影响。例如顶风、顶流使旋回圈进距减小，顺风、顺流使旋回圈进距增大等等。四、旋回圈要素在实际操船中的应用由旋回试验测定的旋回圈资料是船舶操纵性能的重要内容之一，它不仅用来评价船舶的旋回性能，同时还可以直接用于实际操船。1．旋回初径、进距、横距、滞距和在实际操船中的应用在水深足够的宽敞水域，旋回初径可以用来估算船舶用舵旋回掉头所需的水域；横距可以用来估算操舵转首后，船舶与岸或其他船舶是否有足够的间距；滞距可以用来推算两船对遇时无法旋回避让的距离，即两船对遇时的距离小于两船的滞距之和，则用舵无法避让；而两船的进距之和则可以用来推算对遇时的最晚施舵点。2．反移量在实际操船中的应用反移量在实际操船中的应用很多例如，本船航行中发现有人落水时，应立即向落水者一舷操舵，使船尾迅速摆离落水者，以免使之卷进船尾螺旋桨流之内。又如，在船首较近的前方发现障碍物时，为紧急避开，应立即操满舵尽量使船首让开；当估计船首已可避开时，再操相反一舷满舵以便让开船尾。再如，当船舶前部已离出码头拟进车离泊时，如操大舵角急欲转出，则由于尾外摆而将触碰码头。为避免发生事故应适当减速，待驶出一段距离后再使用小舵角慢慢转出。第二节船舶操纵方程及船舶操纵性指数一、船舶操纵运动方程Tŕ+r＝Kδ式中：K——旋回性指数(s-1);T——追随性指数(s);r——旋回角速度(1/s);ŕ——旋回角加速度(1/s2);δ——舵角(°)。该方程最早是由日本学者野本谦作提出的，因此也称为野本方程。该式中，T称之为船舶的追随性指数(turninglagindex)，单位为s；K称之为船舶的旋回性指数(turningabilityindex)。二、船舶操纵性指数及其意义1．K表示船舶旋回性的优劣又称旋回性指数。K值大，则操舵后的转向角加速度初始值、定常转向角速度值均较高，易于有较大的转向角。船舶进入定常旋回后，因为K可用定常旋回角速度r与所操舵角δ0之比来表示，所以K值实质上是定常旋回中的船舶每单位舵角所能给出的转头角速度值，又称增益常数。K值越大，则船舶的旋回性能越好。2．T表示船舶追随性的优劣又称追随性指数。T值小，则操舵后的转向角加速度初始值较高，向定常角速度趋近较快，易于有较大的转向角。船舶操舵后，因为T表示转向角加速度向零衰减、转向角速度向定常角速度趋近的周期，而且每经过T的时间均趋近0.37倍，所以T又称时间常数。该时间越短，则追随性越好。三、K、T、指数无因次化数值范围及影响K、T指数的因素1．K、T指数的无因次化数值范围K、T指数通常由实船Z型实验测得，为了便于比较不同船舶之间的操纵性，常将操纵性指数K、T作无因次化处理，即消去其量纲的处理，即：K’＝K·L/VsT’＝T·Vs/L式中：L为船长，单位为m；Vs为船速，单位为m／s。无因次化后的船舶操纵性指数K’、T’由于已经除去了船舶尺度与船速的影响，故可直接用来比较不同船舶或同一船舶在不同条件下的操纵性优劣及其变化趋势；反过来说，当两船的K、T指数相等时，要使其操纵性能也相同，其船长和船速也应相同。对于具备一般的操纵性能的船舶在满载状态下的K’、T’应处于下列数值范围之内：满载货船(L＝100～150m)：K’＝1.5～2.O；T’＝1.5～2.5满载油船(L＝150～250m)：K’＝1.7～3.0；T’＝3.0～6.0操纵性指数K’、T’值是通过实船Z形试验所测定的。2．影响K’、T’值的因素船舶操纵性能指数K’、T’值，将随舵角、吃水、吃水差、水深与吃水之比、船体水下线型等因素的变化而变化，且其规律较为复杂，但总体来讲，趋势如表所列：影响因素舵角增加吃水增加尾倾增加水深变浅船型越肥K’、T’变化同时减小同时增大同时减小同时减小同时增大从表中可以看出，船舶的操纵性指数K’、T’值是同时减小或同时增大的，即提高船舶旋回性的结果将使其追随性受到某种程度的降低，而追随性的改善又将导致船舶旋回性的某些降低。值得注意的是，当舵角增加时，K’、T’值同时减小，但T’值减小的幅度要比K’值减小的幅度大，因此船舶的舵效反而变好。四、船舶操纵性指数K、T、的具体运用实船Z形试验测算得出的K、T指数，对判别船舶的操纵性能和预测船舶的操纵运动具有重要价值。其具体运用内容有：1．按K、T指数区分船舶操纵性不同种类、结构和大小的船舶，其操纵性