Остойчивость амфибийных машин на волнении

Амфибийные машины (АМ) находят многообразное применение в различных гражданских отраслях и в структуре средств вооружения и технического оснащения армии и флота. Амфибийные машины используются, главным образом, в качестве транспортных и тяговых средств, а также в качестве шасси для монтажа различного технологического оборудования и вооружения.

Парк амфибийных машин в гражданских отраслях сравнительно невелик. Эффективное и рентабельное применение здесь амфибийных машин предполагает тщательный и обоснованный выбор транспортных и технологических задач, для решения которых привлекаются амфибийные машины. Как правило, применение амфибийных машин экономически и технически оправдано там, где требуется обеспечить возможность автономного движения машины по местности, где отсутствуют оборудованные переправы через водные преграды и преобладающая доля маршрута движения приходится на территории с развитой речной сетью или на водные пути, в том числе и на морские побережья.

Амфибийные машины оказываются также эффективны в тех случаях, когда удается избежать перевалки грузов с речного (морского) транспорта на сухопутный и обратно, заменить авиатранспорт с присущими ему ограничениями эксплуатации по метеоусловиям и высокой стоимостью перевозок, поднять производительность труда путем механизации технологических и транспортных процессов тех производств, которые ведутся на морских прибрежных мелководных участках, реках, озерах и искусственных водоемах.

Расширение использования амфибийных машин в военных целях полностью отвечает современной тенденции повышения оперативной и тактической подвижности войск. Амфибийные машины составляют неотъемлемую часть технического оснащения сухопутных войск и морской пехоты.

Анализ использования амфибийных машин в народном хозяйстве позволяет выделить несколько направлений, где подобные машины оказываются незаменимыми или более рентабельными по сравнению с другими транспортными и технологическими средствами, выполняющими те же функции в аналогичных условиях эксплуатации.

Рейдовая разгрузка судов. Сезонное снабжение грузами северного и восточного побережья России осуществляется, главным образом, морским и затем речным транспортом по внутренним водным путям. Большинство арктических портопунктов не имеют причалов и подъемно-транспортного оборудования для грузовой обработки судовснабженцев. Как показал практический опыт работы судов Северного и Мурманского морских пароходств на линиях снабжения районов Крайнего Севера, применение технологии рейдовой разгрузки судов с использованием амфибийных буксировщиков и морских платформ на воздушной подушке позволило в несколько раз поднять производительность, улучшить условия и безопасность труда и сократить время стоянки судов под разгрузкой. Сложная проблема надежной и экономически эффективной доставки грузов морским транспортом в районы Крайнего Севера и Дальнего Востока стимулирует поиски новых технических решений как на уровне отдельных машин, так и на уровне транспортных систем. Одновременно ставится задача уменьшить время непроизводительной стоянки судов-снабженцев на рейде портопункта из-за погодных условий, когда эксплуатация амфибийных машин вследствие волнений ограничивается. Причем одной из главных причин этого ограничения является возможность потери остойчивости машин при движении по волнам достаточно большой балльности.'.

Лесная промышленность, лесосплав. Амфибийные тракторы могут использоваться как на берегу, так и на глубокой воде и на мелководье, и обладают большей универсальностью по сравнению с катерами и лебедками. Малые несудоходные реки и реки с сезонным судоходством, часто используемые для молевого сплава леса, практически не доступны для плавучих очистных агрегатов из-за малых глубин, наличия порогов и пересыхающих участков русла. Для выполнения подобных экологических задач хорошо приспособлены амфибийные технологические и транспортные агрегаты, которые могут работать как на плаву, так и на мелководье и на суше вдоль береговой черты.

Спасательные и эвакуационные работы в зонах катастрофических природных явлений или техногенных аварий, поисково-спасательные работы. Амфибийные машины незаменимы в структуре технических средств Министерства по чрезвычайным ситуациям, подразделений гражданской обороны и различных региональных и ведомственных поисково-спасательных служб. Спасательные, санитарные и другие специализированные машины на амфибийном шасси могут практически при любой погоде и независимо от времени суток доставить в труднодоступное место спасателей, медперсонал и медицинское оборудование, эвакуировать раненых, доставить необходимое оборудование для оказания экстренной помощи и развертывания работ по ликвидации последствий аварии или стихийного бедствия. Для оснащения подразделений поисково-спасательной службы ВВС, занятой поиском и эвакуацией спускаемых космических аппаратов и космонавтов, в СКБ автомобильного завода им. Лихачева был создан специальный авиатранспортабельный комплекс поисково-эвакуационных амфибийных машин.

Обслуживание трубопроводов, ЛЭП и других протяженных сооруэ>сений, транспортное обеспечение газои нефтепромыслов. Как правило, значительная доля протяженности газои нефтепроводов, линий электропередач, кабельных линий проходят вдали от освоенных мест по труднопроходимой местности, тундре, болотам, через большие и малые водные преграды. Эксплуатация сооружений трубопроводного транспорта и ЛЭП требует проведения периодического инспектирования, а в случае аварии — оперативной доставки ремонтных бригад и целого комплекса техники. Работа удаленных газои нефтепромыслов также связана со всесезонными перевозками по болотам и бездорожью сменных вахт, топлива, запасных частей, грузов для обеспечения персонала промыслов и т. д. В качестве шасси транспортных машин и технологических агрегатов, используемых для указанных целей, широко применяются амфибийные машины.

Высокие требования к тактической подвижности сухопутных войск обусловили широкое распространение амфибийных машин в структуре вооружения и технического оснащения армий многих государств. Практически все типы боевых машин с легким бронированием (массой до 2025 т) включают в себя. образцы, обладающие водоходными свойствами. Иногда амфибийными выполняются и более тяжелые бронированные машины. При этом уровень водоходных свойств может сильно различаться в зависимости от целевого назначения и функций, возлагаемых на машину, а также конкретных особенностей конструкции машины. Амфибийные машины используются армиями различных стран как для десантных операций, так и для форсирования водных преград на сухопутном театре действий.

Расширение сфер использования амфибий вызывает постоянный рост требований к технике. В современных условиях улучшение водоходных и сухопутных свойств производится совместно. Конкретное сочетание свойств, которыми должна обладать та или иная машина, зависит от ее функционального назначения и условий применения (условий эксплуатации). Однако часто улучшение водоходных качеств вступает в противоречие с сухопутными. К примеру, улучшение вооружения, увеличение брони, установка более тяжелой силовой установки (правда, несколько более мощной) приводит к увеличению веса машины, что неизбежно ухудшает водоходные свойства. Для подавляющего большинства типов амфибийных машин комплекс водоходных свойств подчинен другим, более важным, с точки зрения конечной эффективности объекта, функциональным свойствам, в частности, сухопутным свойствам. Помня, что сухопутные свойства являются доминирующими, а водоходные важными, но второстепенными, необходимо улучшать такие водоходные качества как ходкость, управляемость, остойчивость, непотопляемость, не ухудшая сухопутных.

Комплексное улучшение водоходных свойств машины является сложной инженерной задачей, успешное решение которой немыслимо без проведения серьезных научных исследований и опытноконструкторских работ, направленных на создание новых образцов бронированных и небронированных машин. Как показывает анализ технических характеристик наиболее распространенных типов амфибийных машин (в отношении их водоходных свойств), за последние 40−50 лет в большей части отсутствует прогресс в скорости на плаву и в других показателях водоходных свойств. Часто современные машины даже уступают по этим показателям более старым однотипным образцам, которые предназначены для выполнения аналогичных функций. Это, однако не означает отсутствие прогресса самих амфибийных машин. Конструкция плавающих машин в части водоходных свойств также совершенствуется, но это развитие проявляется не в форме роста абсолютных показателей комплекса водоходных свойств (которые сохраняются примерно на стабильном уровне) а в форме уменьшения ресурсов (объемов корпуса, массы и т. д.), затрачиваемых на обеспечение необходимого уровня водоходных свойств. Это позволяет большую долю ресурсов использовать для повышения основных (с точки зрения целевого назначения машины) функциональных свойств.

Обеспечение остойчивости амфибийных машин является одним из важнейших условий безопасности их плавания. Оценка остойчивости является существенной частью инженерного расчета любой плавающей машины. При этом появляются два вопроса — остойчива амфибия или нет и как она поведет себя при потере остойчивости. Решение задачи представляет значительные трудности, особенно в тех случаях, когда условия эксплуатации предполагают использование машины на волнении.

Суда имеют большую историю развития, несоизмеримую с историей развития АМ. При этом остойчивости судов всегда, особенно в последние столетия, уделялось самое серьезное внимание. Тем не менее, проблема остойчивости остается актуальной. По-прежнему из-за потери остойчивости гибнут суда. По подсчетам американских океанографов Рехнитцера и Терри, начиная с 1902 г., в среднем за год гибнет 398 судов. Гибель судов от потери остойчивости — одна из тяжелейших морских катастроф, часто несущая гибель всему экипажу.

Остойчивость амфибий на волнении исследована недостаточно, но эта задача является одной из важных проблем мореходности амфибийных машин, поскольку значительное ухудшение остойчивости может происходить при интенсивной заливаемости низкобортных надводных частей корпуса в условиях поперечной и продольной качки.

Сложность процесса взаимодействия плавсредства с волнением и ветром, разнообразие физических картин опрокидывания и отсутствие надежных математических описаний динамики АМ на волнении подчеркивают актуальность постановки задачи определения остойчивости на волнении. Учение об остойчивости относится к одному из наиболее развивающихся направлений динамики судна на волнении. Накопление новых данных не только обогащает практику проектирования амфибий, но и приводит к совершенствованию самой теории остойчивости, уточнению методов ее оценки в различных условиях эксплуатации.

Остойчивость АМ на волнении имеет ряд особенностей и представляет значительный интерес в связи с эксплуатацией машин в прибрежных зонах морей и океанов. Особой темой является остойчивость при входе в условиях волнения в воду и выходе из нее. Включение в анализ ситуаций, при которых амфибийная машина теряет начальную остойчивость, поможет уже на стадии проектирования выявить все опасные режимы плавания. В море же при подобных авариях, когда благополучный исход во многом определяется действиями плавсостава, понимание экипажем особенностей реакции неостойчивой машины на действие ветра или волнения позволят принять правильное решение и сделать все возможное для спасения.

Исследованию остойчивости амфибий на волнении и посвящена данная работа.

Методы исследования.

В теоретической части работа базировалась на трудах отечественных и зарубежных ученых по теории остойчивости на спокойной воде и на волнении. Экспериментальные исследования проводились на физической модели условной плавающей машины. Расчетно-теоретические исследования выполнялись для трех плавающих машин с использованием ЭВМ.

Научная новизна.

Впервые выполнены теоретические исследования параметров остойчивости амфибийных машин на волнении. Выполненные экспериментальные и расчетные исследования изменений параметров остойчивости позволили впервые выявить качественные и количественные особенности остойчивости плавающих машин на волнении, установить наиболее опасные режимы движения и сформулировать рекомендации по улучшению остойчивости амфибийных машин на волнении.

Практическая ценность.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований остойчивости натурных машин и физической модели можно использовать при создании новых амфибийных машин и для ориентировочной оценки параметров остойчивости амфибий на волнении и на спокойной воде. Данные исследований помогут выявить приспособленность существующих машин к различным районам плавания и избегать попадания в экстремальные условия эксплуатации.

Реализация результатов работы.

Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре тягачей и амфибийных машин МАДИ (ГТУ), а также рассмотрены и приняты к использованию в процессе последующей модернизации амфибийных машин Главным автобронетанковым управлением МО РФ.

Апробация работы.

Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Тягачей и амфибийных машин» МАДИ (ГТУ) в 2004 г.

Основные положения диссертационной работы докладывались на 59-й и 61-й научно-методических и научно-исследовательских конференциях.

МАДИ (ГТУ), в подсекции колесных и гусеничных машин высокой проходимости в рамках научно-технического семинара по колесным и гусеничным машинам высокой проходимости в 2001 и 2003 гт.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.

На защиту выносятся основные положения расчетно-теоретических и экспериментальных исследований параметров остойчивости амфибийных машин на волнении.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Теоретические и экспериментальные исследования поведения амфибийных машин на волнении позволили установить:

1. Потеря поперечной остойчивости наиболее вероятна по сравнению с потерей продольной. Для оценки поперечной остойчивости амфибийных машин следует использовать основной критерий (Мкр<�Мдоп), предлагаемый Речным Регистром России.

Опрокидывающий и допускаемый моменты должны определяться по диаграммам остойчивости, построенным для положения амфибии на вершине попутной волныамплитуда качки принимается равной нулю. Кренящий момент от действия ветра рассчитывается с коэффициентом (р = 0,8. Расчет диаграмм можно вести с использованием интегральных кривых Власова В. Г. по формулам, предложенным проф. Благовещенским С. Н. В качестве дополнительных критериев следует учитывать снижение остойчивости в экстремальных условиях эксплуатации (высокое положение центра тяжести груза и большое количество забортной воды в корпусе).

2. Наиболее вероятно потеря поперечной остойчивости на волнении может наблюдаться при движении по волне и ветру со скоростями, близкими к скорости перемещения волны. При этом могут происходить снижения параметров остойчивости (метацентрических высот, метацентрических радиусов, плеч остойчивости и др.). Плечо остойчивости снижается в среднем в 2,2−2,5 раза при углах крена в 20°.

30° (для МТ-ЛБ на волнах к= 1,25 м, = ДЛЯ-ПТС-2 — /гв=0,75 м, и для БМП-3 — /гв=0,75 м, Лв/Я = ^ф). Минимальный опрокидывающий момент снижается в 1,6.1,7 раза для МТ-ЛБ (/гв=0,75 м, Х=7,5м) и ПТС-2 (/гв=0,75 м, Х=7,5м) и в 4,3 раза для БМП-3 (/гй=0,75 м, Х=15м). Эти изменения связаны с размерами амфибийных машин, размерами волн, взаимным расположением фиксированных точек волнового профиля относительно корпуса машины. Наибольшие ухудшения наблюдаются при расположении гребня волны в середине длины корпуса.

3. Плечи остойчивости находятся в зависимости от формы корпуса. Вход или выход из воды гусеничных полок, листов днища и крыши или смена угла наклона погруженных бортовых листов корпуса отражаются на диаграммах местным максимумом или минимумом. С увеличением высоты волнения подобные местные выступы на диаграммах статической остойчивости становятся более выраженными и могут достигать 0,1 м.

4. При движении против волны и ветра опасность потери остойчивости вследствие ее снижения от воздействия волнения невелика, поскольку время пребывания на вершине ничтожно мало (не превышает двух-трех секунд). Тем не менее, в этом случае следует помнить о высокой ударной нагрузке встречных волн на корпус (слемминге) и заливаемости палубы.

5. Проведенные исследования влияния длины волны на остойчивость показывают, что наиболее опасны волны длиной 0,6.0,9 длины корпуса. Более крутые волны, вершина которых находится при миделе, как правило, сильнее снижают остойчивость. К примеру, модельные испытания показывают что при происходит снижение плеч снижение не превышает 1,06 раза.

6. Более подробного рассмотрения заслуживает оценка поведения машин с позиций остойчивости в процессе их качки и удара разрушающейся волны в борт. Это сложный динамический процесс, требующий, несомненно, натурных испытаний. Для машин, эксплуатация которых предполагает работу на заданном волнении, на стадии проектирования необходимо сравнивать диаграммы динамической остойчивости амфибии, находящейся на вершине волны, с работой удара волны в борт. Особое внимание следует уделять быстроходным остойчивости более чем в 1,5 раза, для менее крутых волн водоизмещающим амфибиям, скорости которых близки к скоростям бега волн при предельном для них волнении.

7. Для многих машин палубной конструкции, не имеющих специального оборудования и герметичной крыши крен более 20−25° опасен. Для каждой амфибийной машины на стадии проектирования расчетным путем должна устанавливаться предельная балльность волнения и степень снижения остойчивости, при которой эксплуатация этой машины еще допустима.

8. В качестве одного из критериев надежной работы на волнении можно предложить максимально допустимое снижение плеча остойчивости по сравнению со спокойной водой при углах крена 20° и 25°. Значение плеча берется с диаграмм статической остойчивости на вершинах волн эксплуатационной балльности, длина которых составляет 60−90% длины амфибии. Так, при угле крена 25° - не более 24%, при 20° - не более 33%.

РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Целесообразно провести натурные исследования изменения остойчивости плавающих машин на волнении. Параллельно с работой на натурной машине следует также продолжить поисковые исследования с целью усовершенствования расчетного метода, в том числе и для расчета остойчивости при движении произвольными курсами на волнении.

2. Необходимо провести экспериментальные исследования процесса удара разрушающейся волны в борт с целью повышения надежности расчета и уточнения выбора запаса остойчивости.