船舶在大風(fēng)浪中航行的安全穩(wěn)性淺析_圖文

1、船舶在大風(fēng)浪中航行的安全穩(wěn)性淺析(福州航標(biāo)處陳紅齊【摘要】穩(wěn)性是船舶最重要的性能之一,是船舶安傘航行的基本保障,也是船舶檢驗的主要內(nèi)容之一。國內(nèi)外大最的船舶 傾覆事故表明,靜水中穩(wěn)性好的船舶在波浪中穩(wěn)性未必好。所以對船舶在波浪中的穩(wěn)性進(jìn)行研究有著重要的實際意義,可以 為設(shè)計者、駕駛者提供一定的參考。本文由已掌握的船舶穩(wěn)性知識入手分析穩(wěn)性事故的原因,提出大風(fēng)浪中操船的合理方法, 以便有助于消除誤解以減少事故的出現(xiàn),保證船舶航行安全?！娟P(guān)鍵詞】大風(fēng)浪 船舶穩(wěn)性 穩(wěn)性事故 大風(fēng)浪操船一、船舶穩(wěn)性特點及其影響因素L 1船舶穩(wěn)性概述船舶穩(wěn)性,指在外力作用下,向側(cè)傾斜,當(dāng)外力消失后,船舶能平穩(wěn)地恢復(fù)到原來

2、漂浮狀態(tài)的能力。 按傾角大小可分為初穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性;按傾斜作用力矩的性質(zhì)可分為橫穩(wěn)性和縱穩(wěn)性;按作用力矩的性 質(zhì)可分為靜穩(wěn)性與動穩(wěn)性。船舶漂浮在水面上,當(dāng)船上的各種重量是均勻分布時,那么船體的前后左右的吃水也都相同。船舶處 于這樣的漂浮狀態(tài)稱為“正浮”。正浮時船舶重力和浮力必定是大小相等,方向相反并且作用在同一條直 線上。,當(dāng)船舶在傾斜力矩”1廠的作用下傾斜一個角度0時。船舶的入水體積發(fā)生了變化(如圖卜1所示, L圖I-I船舶受傾斜力矩圖wL為船舶傾斜前的水線,入水體積左右對稱,所以浮心B在中縱剖面上。WILl是傾斜后的水線,入 水體積左右不對稱,左邊減少了W10W的出水楔形體積,右邊增加了

3、LIOL的入水楔形休積,因此右舷的入 水體積大于左舷的入水體積,以致使得右舷的浮力也大于左舷的浮力,浮心的位置便由B點移至B點。 由于浮心位置的移動,使浮力作用線和重力作用線不再在同一直線上,這便構(gòu)成了復(fù)原力矩R,此力矩 的方向與傾側(cè)力矩”1,的方向相反,所以在外力消失后,船舶在復(fù)原力矩的作用下恢復(fù)正浮狀態(tài),凡在外 力消失后能回復(fù)到正浮狀態(tài)的船,稱為有穩(wěn)性的船。圖卜1中的M點是船舶正浮時浮力作用線與橫傾后的 浮力作用線的交點,這個交點稱為穩(wěn)心,穩(wěn)心M至重心G之間的距離GM稱為穩(wěn)性高度,穩(wěn)性高度是衡量 船舶穩(wěn)性好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。如果船舶的重心過高,當(dāng)船舶傾斜一個角度0時,穩(wěn)性力矩g的方向和橫傾力矩

4、,的方向相同, 這時的”1暑不僅不能使船舶恢復(fù)正浮狀態(tài),反而加速了船舶傾覆(如圖卜2所示,75圖1-2船舶傾覆圖這樣的船我們便稱為沒有穩(wěn)性的船舶。出現(xiàn)這種情況是由于重心G的高度高于穩(wěn)心M的高度,這樣的 船是十分危險的,不能航行作業(yè)?？梢?船舶的重心位置與船舶穩(wěn)性有十分密切的關(guān)系。船舶重心在穩(wěn)心之下時,一般稱為有穩(wěn)性的船 舶,重心在穩(wěn)心之上時,稱為無穩(wěn)性的船舶。同時,船舶的穩(wěn)性是船舶傾斜后浮心的移動,浮力的作用點 在浮心上,船舶重力的作用點在重心上,它們的作用不在同一條直線上,產(chǎn)生一個恢復(fù)力矩的結(jié)果。 1.2船舶穩(wěn)性要求及其影響因素1.2.1船舶穩(wěn)性的要求國際海事組織和我凼船舶檢驗局均對船舶穩(wěn)性

5、有基本的要求。國際海事組織對無限航區(qū)的船舶的規(guī) 定:a。初穩(wěn)性高度GM應(yīng)小于0.15m;b。復(fù)原力臂曲線在橫傾角0-一30度之間所圍面積應(yīng)小于0.055mradc。復(fù)原力臂曲線在橫傾角3040度或進(jìn)水角中較小者之間所圍面積應(yīng)小于0.030mrad;d。橫傾角30度處的復(fù)原力臂應(yīng)小于0.20m; ,e。最大復(fù)原力臂對應(yīng)角最好大于30度,至少不小于25發(fā)一I.2.2影響船舶穩(wěn)性因素(1重心高度對穩(wěn)性的影響船舶的重心高度與船舶穩(wěn)性密切相關(guān),直接影響著船舶穩(wěn)性,穩(wěn)性公式或多或少都與船舶重心位置有 關(guān)聯(lián),如穩(wěn)性力矩M.=9.8IAGMsinp (卜1該式也稱為初穩(wěn)性方程式。當(dāng)G點位于M點之下時,GM取正

6、值,船舶具有穩(wěn)性力矩,當(dāng)G點位于M點 之上時,GM取負(fù)值,船舶具有橫傾力矩。當(dāng)G點和M點重合時,GM:O,船舶位于隨遇.甲衡。(2排水量對船舶穩(wěn)性的影響:穩(wěn)性的好壞是由船舶復(fù)原力矩M決定的,復(fù)原力矩越大穩(wěn)性越好。從公式(卜1中看出,復(fù)原力矩 不僅由GM的大小決定,一時還受到排水量的影響,在同樣的GM和0情況下,滿載時的船舶復(fù)原力矩要 比空載時大許多。如果要產(chǎn)生同樣的穩(wěn)性,船舶卒載狀態(tài)時必須相應(yīng)提高GM值才能保證達(dá)到滿載時的穩(wěn) 性水平。但有的駕駛員認(rèn)為只有GM才對穩(wěn)性起作用,誤以為某一GM值在本船滿載時能產(chǎn)生一定的穩(wěn)性, 而在輕載、空載時也會產(chǎn)生等量的穩(wěn)性,因而在實際工作中就會對輕載時的GM要求

7、過低。比如在杏閱資 料中發(fā)現(xiàn)空船壓載時的GM遠(yuǎn)較滿載時大,就以為可以隨意將壓載水艙少打些壓載水,從而造成險情或事 故。(3貨物橫向移動的影響將船舶重量為P的貨物自91點沿橫向水平方向移至92點,移動的距離為Y(如圖I-3所示:圖1-3重物橫向移動船舶重心自原來的G點橫向移動至G1點,根據(jù)重心移動原理可得GG.:堡1A(1-2這時,重心的作用線通過G1,不再與原來的浮心B在同一鉛垂線上,因此,船舶將發(fā)生橫傾,浮心自 B點向橫傾側(cè)移動。當(dāng)傾斜到某一角度0時,新的浮心B1與G1在同一鉛垂線上,船舶就保持新的平衡狀 態(tài),并浮于新的水線W2L2,重量的橫向移動相當(dāng)于形成一個橫傾力矩M,=9.8l尸】,C

8、OS0(13 由于船舶橫傾角至0角時已處于平衡狀態(tài),固鴨2吩又根據(jù)公式(卜1畋29.8IAGM sin ,可得以下公式:9.81AGMsin0=9.81PYcos0(卜4 根據(jù)上式,可以求得重量P橫向移動后船舶的橫傾角正切t卸秒:!LAGM (15 (4重量垂向移動的影響:將船上某一重量為P的貨物自gl點沿垂直方向移至92點,移動的距離為Z,如圖卜4所示。由于船 的排水量和浸水部分的形狀都沒有發(fā)生變化,故浮心B及穩(wěn)心M的位置保持小變。至于船的重心,則由原 來的G點垂向移動至G1點,根據(jù)重心移動原理可得:.。Pz (1-6圖1-4重物垂直移動圖從圖卜4中可以看出,由于重心的移動,引起了初穩(wěn)性高度

9、的改變。設(shè)原來的初穩(wěn)性GM,新的初穩(wěn)性 高度為G1M,則有:77即G1M=GMGGlGIM=GM百PZ(I-7 (I-8式中P為貨物的重量,同理,新的縱穩(wěn)性高度G-M1.=-鰳-一罷(1_9通?？v穩(wěn)性高度的數(shù)值很大,GGI相對GMI來說是一個小量,在實用上常認(rèn)為G1M1GMl,從式(1-6 可見如果重物垂直向上移動,則將提高船的霞心,其結(jié)果使初穩(wěn)性高度減少,由此可見,提高船舶最心對 穩(wěn)性不利。反之,如果把重量向F移動,則將降低船舶重心,其結(jié)果使初穩(wěn)性增高,因此降低船舶重心是 提高船舶穩(wěn)性的有效措施。二、大風(fēng)浪條件對船舶穩(wěn)性的影響1、波浪對船舶穩(wěn)性產(chǎn)生的影響(1波面形狀對船舶穩(wěn)性的影響波面形狀決

10、定船的水線形狀。由于波浪存在,使得船舶縱向吃水不是平均分布。盡管船的排水體積沒 有改變,船的重心沒有改變,但排水體積的形狀改變,因I浮心位置改變了,船舶穩(wěn)性曲線也就小同于平 均吃水的穩(wěn)性曲線。計算指出,當(dāng)船順浪或頂浪航行及波長九=船長L時,船舯在波峰、波谷以及船在平 均吃水3種情況下所具有的穩(wěn)性曲線是不同的,如圖2-1所示。船舯在波峰卜時穩(wěn)性最差,船舯在波谷上 時穩(wěn)性最好。由此可見,如果用平均吃水的穩(wěn)性曲線來代表船的穩(wěn)性,則當(dāng)船舯在波峰上時船的穩(wěn)性就有 不夠的可能性。圖2-1船舶在波浪上的穩(wěn)性曲線波面形狀影響船舶穩(wěn)性變化的規(guī)律,可以由水線形狀隨波浪和船的相對運動而變化的規(guī)律來表示。設(shè) 13代表

11、水線上任意點處水面與水平面的交角,則=%伽sfP.(等.f (2.1式中:最大波面角伊航向與波傳播方向的交角1一橫搖周期t時間由上式可見,波面形狀的影響將使船舶穩(wěn)性曲線產(chǎn)生周期性變化,其周期為L,穩(wěn)性變化的幅度在伊=0度,即順流航行或妒=180度即項浪航行時為最大。(2縱搖對船舶穩(wěn)性的影響船舶縱搖,同樣會使沿船長方向的吃水分布產(chǎn)生變化,因而穩(wěn)性曲線也隨著變化?？v搖影響船舶穩(wěn)性變化的規(guī)律可以由縱搖規(guī)律來表示。設(shè)。為縱傾角,則紅¨w南.cos夠.cosc和 泣2, 式中:強(qiáng)一計及船長影響的系數(shù)”2一計及吃水影響的系數(shù)711縱船舶在靜水中自Fh縱搖周期上述公式不能作為精確計算縱搖之用,但由

12、此可以方便地看出,在縱搖的影響下,船舶穩(wěn)性產(chǎn)生周期 性的變化,其周期為乃,穩(wěn)性變化幅度以緲:o度或緲:180度及7反:乃時為最大。(3垂蕩對船舶穩(wěn)性的影響垂蕩對船舶穩(wěn)性的影響可分為兩個方面。一方而是垂蕩中船舶的吃水改變,這當(dāng)然會引起穩(wěn)性曲線的 變化,其變化規(guī)律可以由吃水改變值z的變化規(guī)律來表示。厶一島譬一B (2.3 乞叫幔.等.高雨伽s(等 (2.4 g硼l刪2了麗08i 乞=等一c式中:乞船舶的垂向位移磊水平面的垂向位移”ll計及船舶水平尺度影響的系數(shù)”2計及吃水影響的系數(shù)卜波高礓船舶在靜水中自由垂蕩的周期(2.5上述同樣是簡化導(dǎo)出的公式,不能作為精確計算垂蕩之用。垂蕩對船舶穩(wěn)性的另一方面

13、影響是慣性力 A(1±竺,的作用,它將使穩(wěn)性力矩由原來的,變?yōu)?g 其中A為排水量,z為穩(wěn)性力臂。Z=幺一乞(2.6:一等. (2.7 10乞=等乞 (2.8由上述公式不難看出,在垂蕩的影響下,船舶穩(wěn)性曲線產(chǎn)生周期性變化,其變化周期為,穩(wěn)性變化的 幅度則以橫浪航行及1垂=10時為最大。2、波浪對船舶作用綜合分析以上分析說明,船舶在波浪中航行,其穩(wěn)性是不斷變化的。在規(guī)律波浪的作用下,穩(wěn)性曲線呈現(xiàn)周期 性的變化。船舶在10周期內(nèi),一部分時間將具有比平均吃水大的穩(wěn)性,而另一部分時間則具有比平均吃 水小的穩(wěn)性。按照目前規(guī)范以平均吃水穩(wěn)性曲線為依據(jù)計算出來的船舶穩(wěn)性,在沒有充分富裕時,則在每

14、一個10周期中,有可能部分時間處于穩(wěn)性不足狀態(tài),這種情況稱為喪失穩(wěn)性。顯然,穩(wěn)性變化幅度愈大,則喪失穩(wěn)性程度愈嚴(yán)重，對于船舶安全威脅愈大。同時，口愈大，則喪失穩(wěn)性的持續(xù)時間愈久，對于船 舶安全威脅也愈大。從橫傾力矩的不利因素來看，最大橫傾力矩產(chǎn)生在船舶橫浪航行的時候。但是，從船 舶穩(wěn)性變化的不利因素來看，則以順頂浪航行時可能喪失穩(wěn)性程度為最嚴(yán)重。波面形狀和縱搖都是以順頂 浪時使穩(wěn)性變化幅度最大。至于垂蕩的影響，如果單獨看，以橫浪航行是穩(wěn)性變化幅度最大。但應(yīng)注意到， 影響穩(wěn)性變化的另一因素是共振情況。由于。垂縱，順頂浪航行時，縱搖共振可同時伴隨垂蕩共振。 而橫浪航行時，船在靜水中自由橫搖周期一般

15、橫與垂相差較大，因此橫搖共振時就不會有垂蕩共振。 當(dāng)全面考慮橫傾力矩及穩(wěn)性變化的不利因素時，最不利情況是否一定在橫浪航行時值得研究。風(fēng)和浪的方 向不一定一樣，但在風(fēng)暴中則常趨于一致。從船舶操縱觀點來看，橫浪航行還是比較危險的，所以在大風(fēng) 浪中駕駛員大都采取順頂浪航行方法。在這種情況下，謹(jǐn)慎處理船舶穩(wěn)性就顯得更有必要。處理方法是首 先應(yīng)注意避免產(chǎn)生縱搖及垂蕩共振，在此基礎(chǔ)上再盡量選擇最小的 值。 根據(jù)以下方程式： 萬：；一 （） （） 萬：一 式中： 萬：警一 ， （） （） 卜船舶平均吃水 九波長 船舶航速 萬：二警一 ， 可以制出和九的關(guān)系曲線、，如圖所示。這些曲線是通用的，不受船舶類型和

16、吃水的限制。在已知名和的情況下，可以在曲線上求出相應(yīng)的速度值，嶼，。 順浪航行時，應(yīng)使或屹 頂浪航行時，應(yīng)使屹或 尉以 一 圖 一五曲線圖 因此，從船舶穩(wěn)性來看，在大風(fēng)浪中船舶操縱應(yīng)作如下選擇，即名或時，宜采取頂浪 航行，吃兄吃宜順浪航行。在同樣可以采取順浪航行和頂浪航行的情況下，宜采取項浪航行，以 爭取較小的穩(wěn)性喪失持續(xù)時間。 另外，船舶在大風(fēng)浪中順浪航行、斜順浪航行、順浪航行時的尾淹和打橫、風(fēng)浪中船舶的橫諧搖等情 況對船舶初穩(wěn)性高度、航向穩(wěn)定性及復(fù)原力矩都會產(chǎn)生重要影響，其對船舶穩(wěn)性的影響也是十分復(fù)雜的， 這里就不一一論述了。 三、大風(fēng)浪中的合理操船理論及應(yīng)用 、大風(fēng)浪中操船的理論 在通常

17、情況下，壓載狀態(tài)下航行的大型船舶，當(dāng)遇到級風(fēng)時，滿載船級風(fēng)時，即可認(rèn)為屬于大 風(fēng)浪操船。理論上大風(fēng)浪中操船的方法有：為了避免船艏受過大的沖擊和減輕橫搖與縱搖，而且又不致使船 偏離航線過多，可采取偏頂浪形航法，以保持舵效的較低航速以船艏左或右舷個羅經(jīng)點斜迎浪的滯航， 對經(jīng)不起波浪沖擊的大犁船可以船尾斜向順浪航行，以及停止主機(jī)隨風(fēng)浪漂流的飄滯航法。 、大風(fēng)浪中操船理論的應(yīng)用 舉例說明假如某船舶從美國的 港到非洲的港（如圖航線示意圖），若按恒 向線或大網(wǎng)航線直駛，途中將不得不穿過數(shù)個強(qiáng)低壓，但欲想完全避開大風(fēng)浪區(qū)，就得大幅度繞航，這客觀 上是不允許的，因此，勢必利用合理安全的航法穿行于大風(fēng)浪區(qū)才是上

18、策。 圖航線示意圖 從出航后，利用高壓天氣的風(fēng)平浪靜加速行駛。以彌補(bǔ)日后遇上大風(fēng)浪天氣船速降低而導(dǎo)致 船期的損失。當(dāng)遇上第一個低壓時，在系統(tǒng)分析的摹礎(chǔ)上，如確認(rèn)隨后的低壓移速甚緩，不致風(fēng)浪疊加形成 巨浪區(qū)就續(xù)航，且由于低壓風(fēng)圈呈逆時針方向，船舶處于順風(fēng)狀態(tài)，這樣即可使船尾斜迎浪處于順航狀態(tài)： 如隨后的低壓強(qiáng)度大，移速快，有風(fēng)浪疊加形成巨浪區(qū)的可能，應(yīng)果斷地決定從高緯轉(zhuǎn)向于低緯，此時宜采 取船艏左或右個羅經(jīng)點迎浪，同時為減少拍底或甲板上浪，還應(yīng)降低船速：如風(fēng)浪在增大，航行困難，不 得已可采取滯航的方法，但此時一定要加強(qiáng)主、副機(jī)及舵機(jī)等的監(jiān)護(hù)管理，萬不可停車處于漂滯狀態(tài)。 同時，要注意以下幾點：

19、越往高緯氣象“復(fù)雜區(qū)”行駛，越要注意氣象的變化。并及時作出相應(yīng)的航速、航向調(diào)整。 避免船舶進(jìn)入巨浪區(qū)，保持船在低壓中心（尤其是強(qiáng)低壓公罩以外通過）。 夜間，能見度小良時忌隨意性“探索”改向，這樣非但不能確切地找到一個搖蕩少的航向，相反有時 會使自己處于一個危險的尷尬境地。正確的做法是：盡一切可能仔細(xì)觀察海浪的規(guī)律，可借助氣象風(fēng)速儀， 正確地求取真風(fēng)，從而確定浪向，用手操舵作嘗試性改向，一次不行，可重復(fù)進(jìn)行。 、大風(fēng)浪中的合理避讓 在海上船舶間的避讓均依據(jù)國際海上避碰規(guī)則或地方規(guī)則。但在一些特定的情況下，我們要合理 地運用規(guī)則，小能生搬硬套，這也是良好船藝的要求，大風(fēng)浪中的合理避讓正是如此。 八

20、 日 圖避讓示意圖 避讓經(jīng)過 如圖避讓示意圖所示，假如我船航速節(jié)，航向。，他船航速節(jié)，航向。：夜間，寬闊 的洋面上，西北風(fēng)，風(fēng)力級，能見度僅海里左右。在兩船相距 時，在雷達(dá)二發(fā)現(xiàn)他船，且雷達(dá)顯 示為，為，有碰撞危險。隨后保持連續(xù)觀察，他船方位不變，距離縮小，且從雷達(dá)上可見 他船有左、右。的擺蕩，斷定對方首搖得厲害。按規(guī)則我船應(yīng)右轉(zhuǎn)向以避讓他船，但一旦右轉(zhuǎn)，我船即有 被打橫的危險，且當(dāng)時情況我船單邊已搖至。左右，右轉(zhuǎn)是非常不利的，對他船來說也是同樣。當(dāng)兩船接 近至?xí)r，我船先定好船位，然后用相對定位法，定出他船舶位，接著我船用呼叫他船，叫通后，我 船告訴他船，由于惡劣天氣，右轉(zhuǎn)避讓對雙方都不利，待

21、接近至?xí)r，我船將左轉(zhuǎn)以避讓，請他船保速保向， 必要時也請其左轉(zhuǎn)以配合我船。最后兩船安全地在 距離上通過。 規(guī)則的正確理解和合理應(yīng)用 避碰規(guī)則要求在采取避碰行動時要早、大、寬、清，尤其忌諱用一連串的小改向來避讓，但在大風(fēng) 浪中避讓，由于操船的局限性，卻時常采用這一方法。因為避免大角度操舵橫傾與風(fēng)浪強(qiáng)迫橫傾角疊加，同 時也為避免對舵葉的損壞以及增加主機(jī)的瞬間負(fù)荷，只能使用小舵角，一般以。為好，同時為避免船舶產(chǎn) 生較大的旋回角速度，在風(fēng)浪中不易控制，通常用左或右。，待形成一定的旋回角速度后，正舵，待船轉(zhuǎn)至 接近所需航向，用反舵壓一下，就可使船穩(wěn)定下來，但采取這一行動時，應(yīng)盡早通知對方，讓對方不致于誤解 而導(dǎo)致避碰行動的不協(xié)調(diào)。在大風(fēng)浪中用共高頻協(xié)助避碰是